СПОСОБ ФИКСАЦИИ ИЗНОШЕННЫХ СОЕДИНЕНИЙ "ВАЛ-ПОДШИПНИК" ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ПОЛИМЕРНОЙ НАНОКОМПОЗИЦИИ Российский патент 2024 года по МПК B23P11/00 B23P6/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может применяться как с целью повышения долговечности шпиндельных узлов нового металлообрабатывающего оборудования, так и для восстановления изношенных посадочных поверхностей шпиндельных валов. Суть предлагаемого способа заключается в создании полимерной прослойки (на основе нанонаполненного анаэробного герметика) между посадочными поверхностями вала и внутренними кольцами подшипников. Для подшипников шпинделей станочного оборудования, при установке на вал, должен обеспечиваться натяг от 0 до 5 мкм в зависимости от диаметра внутреннего кольца. При этом, износ посадочных поверхностей может достигать 15 мкм. Анаэробные нанонаполненные составы применимы для фиксации соединений как с натягом, так и с зазором. В результате их применения снижается влияние фреттинг-коррозии на долговечность соединения и исключается проворачивание сопрягаемых деталей.

Известен способ восстановления посадочных мест валов под подшипники качения электромеханической обработкой (Федоров С.К. Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники электромеханической обработкой дис. … доктор техн. наук: 05.20.03 / Федоров Сергей Константинович. - М., 2009. - 246 с.). В результате электромеханической поверхностной закалки происходит изменение структуры поверхностного слоя и, как следствие, размера вала. Экспериментально установлено: при износе до 0,08 мм восстановление наружных цилиндрических поверхностей деталей из качественных конструкционных сталей обеспечивается изменением кристаллической решетки поверхностного слоя металла и глубиной формирования мартенситной структуры. Однако, в случае применения в качестве ремонтной технологии электромеханической обработки не будет решена проблема фреттинг-износа посадочных поверхностей.

Наиболее близким по своей сути к предлагаемому способу является применение анаэробных вал-втулочных фиксаторов, из ассортимента которых можно выделить продуты производства ФГУП «ПИИ полимеров» Унигерм-7 (ТУ 2257-399-00208947-2004), Анатерм-112 (ТУ 2257-274-00208947-96 (изм. №1-6)), Анатерм-103 (ТУ 2257-521-00208947-2010 (изм. 1)) и их зарубежные аналоги по применению - Loctite 601, Loctite 603 производства компании Henkel, США. К достоинствам применения вышеуказанных составов можно отнести как предотвращение развития фреттинг-коррозии в соединениях, так и высокую проникающую способность, за счет чего достигается равномерное распределение давления по всей площади склеивания и уменьшение внутренних напряжений в сопрягаемых деталях, что позволяет значительно замедлить процесс их изнашивания. Недостатком указанного способа является то, что современные отечественные и иностранные полимерные составы имеют невысокие упругие свойства и прочностные характеристики. Это ограничивает их применение для ремонта средне- и тяжелонагруженных узлов с повышенными требованиями к жесткости, к которым относятся узлы металлорежущих станков.

Задача изобретения - создание способа фиксации как новых, так и изношенных соединений «вал-подшипник» шпиндельных узлов металлообрабатывающих станков путем назначения оптимальных условий получения и применения полимерных нанокомпозиций при сборке.

Решение поставленной задачи обеспечено применением полимерных нанокомпозиций для фиксации соединений «вал-подшипник» и получением математических зависимостей, выражающих связь жесткости подшипниковой опоры, а также физико-механических свойств и толщины промежуточного полимерного слоя в соединении «вал-подшипник».

Техническим результатом изобретения является повышение долговечности соединений «вал-подшипник» и, как следствие, снижение вероятности их выходя из строя, а также снижение себестоимости технического обслуживания шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования.

Нанокомпозиция, применяемая в предлагаемом способе, представляет собой двухкомпонентный полимерный состав. Основа - анаэробный клей, жидкая вязкая композиция, способная длительное время храниться в тонкостенной кислородопроницаемой полиэтиленовой таре без изменений своих свойств и отверждаться при температуре 15-25°С в узких металлических зазорах с образованием прочного полимерного слоя. Наполнители - нанопорошки металлов и их оксидов. Предлагаемый способ предполагает применение ультразвукового воздействия для приготовления нанокомпозиций, с целью равномерного распределения нанонаполнителя в объеме исходного полимера. Также предполагается использование дополнительной ремонтной детали (тонкостенной втулки) при значительных износах. Рекомендуется также применять полимерную нанокомпозицию при запрессовке подшипника на восстановленную поверхность, с целью повышения ресурса соединения.

В результате экспериментальных исследований установлено, что прочность заполимеризованного нанонаполненного анаэробного герметика не менее, чем на 30% выше, чем у базового состава, но не менее, чем 3 МПа. Вибростойкость заполимеризованного нанонаполненного анаэробного герметика не менее, чем на 20% выше, чем у базового ненаполненного состава. При возрастании температуры от 20 до 70°С полимерная прослойка сохраняет прочность на уровне не менее 95% от исходного значения. В результате применения предлагаемого способа при монтаже подшипников на валу, долговечность подшипникового соединения будет повышена не менее, чем на 50%. Жесткость узла после применения предлагаемого способа при монтаже подшипников на валу должна составить не менее 80% от исходного значения. Способ может применяться для фиксации вал-втулочных соединений с зазором до 0,005 мм, без использования специальных приспособлений для центрирования. Время схватывания анаэробной нанокомпозиций в зазоре составит не менее 10 минут, время частичного ее отверждения составит от 2 до 6 часов время полного отверждения не более 24 часов.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ фиксации соединения «вал-подшипник», включающий в себя следующие операции:

- изготовление компенсационной втулки в соответствии с размерами подготовленной посадочной поверхности шпинделя, предварительно подвергнутой механической обработке, с целью получения переходной посадки или посадки с легким зазором между валом и внутренним кольцом подшипника, обеспечив шероховатость сопрягаемых поверхностей с параметром Ra порядка 3,2 мкм;

- очистка сопрягаемых поверхностей деталей перед нанесением полимерной нанокомпозиций и обработка средством для обезжиривания с выдержкой 15 мин;

- подготовка нанонаполненной анаэробной композиции, включающая в себя введение 1,3% по массе наночастиц оксида кремния в исходный состав, последующее смешивание составляющих полимерной нанокомпозиций, а также последующую ультразвуковую обработку полученной полимерной нанокомпозиций в течение 10 минут, которые необходимо производить непосредственно перед ее нанесением;

- нанесение небольшого количества полимерной нанокомпозиций по окружности переднего края посадочной поверхности и внутренней поверхности втулки;

- запрессовка компенсационной втулки на подготовленный участок шпинделя;

- удаление лишней полимерной нанокомпозиций;

- полимеризация полимерной нанокомпозиций в течение 12 часов;

- создание на компенсационной втулке посадочной поверхности под подшипник путем механической обработки ее наружной части;

- установку подшипника на восстановленную поверхность с применением полимерной нанокомпозиций.

Для сборки соединения с зазором, полимерная нанокомпозиция должна быть нанесена на края сопрягаемых поверхностей, для обеспечения более полного покрытия, причем сборку соединения необходимо производить с проворотом охватывающей детали относительно вала.

Для сборки соединения с натягом, полимерная нанокомпозиция должна быть нанесена на обе сопрягаемые поверхности, сборку подшипникового соединения необходимо производить при помощи пресса.

Для сборки с тепловой посадкой полимерная нанокомпозиция будет наноситься на вал, затем необходимо нагреть втулку до 100°С для обеспечения достаточного монтажного зазора. Сопрягаемые детали не должны подвергаться механическим нагрузкам до достижения достаточной прочности соединения.

Следует отметить, что при запрессовке подшипника на восстановленную поверхность рекомендуется также применять полимерную нанокомпозицию.

Для оценки применимости предлагаемого способа, исходя из допустимого значения снижения жесткости подшипниковой опоры для конкретного узла, используются математическая зависимость, выражающая связь жесткости подшипниковой опоры, а также физико-механических свойств и толщины промежуточного полимерного слоя в соединении «вал-подшипник» через общее радиальное смещение в подшипнике А_п, которое можно описать формулой:

где Δ₀ - радиальное смещение оси вала относительно центра посадочного отверстия корпуса известно и равно табличному значению, установленному производителем подшипника;

Р₀ - нагруженность центрального тела качения, Н;

Е - модуль упругости материала подшипника, Н/мм²;

J - момент инерции поперечного сечения внутреннего кольца подшипника, мм⁴;

b - ширина внутреннего кольца подшипника, мм;

μ_п - осредненный коэффициент Пуассона материала полимерного покрытия;

Е_п - осредненный модуль упругости материала полимерного покрытия, Н/мм²;

h_п - сжимаемая толщина, мм;

Изобретение относится к способу фиксации соединения вал-подшипник шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования. Осуществляют изготовление компенсационной втулки на вал. Производят подготовку полимерной нанонаполненной анаэробной композиции, включающей 1,3 мас.% наночастиц оксида кремния в исходном составе, смешивают составляющие полимерной нанокомпозиции и осуществляют последующую ультразвуковую обработку полученной полимерной нанокомпозиции в течение 10 минут непосредственно перед ее нанесением. Производят нанесение полимерной нанокомпозиции по окружности переднего края посадочной поверхности вала и внутренней поверхности компенсационной втулки. Осуществляют запрессовку компенсационной втулки на подготовленный участок вала. Производят полимеризацию полимерной нанокомпозиции в течение 12 часов. Устанавливают подшипник на восстановленную поверхность вала с применением полимерной нанокомпозиции. В результате повышается долговечность соединения «вал-подшипник».

Способ фиксации соединения вал-подшипник шпиндельных узлов металлообрабатывающего оборудования, включающий создание полимерной прослойки между посадочными поверхностями вала и внутренним кольцом подшипника, отличающийся тем, что осуществляют подготовку посадочной поверхности вала путем ее предварительной механической обработки, осуществляют изготовление компенсационной втулки на вал в соответствии с размерами подготовленной посадочной поверхности вала, с обеспечением шероховатости сопрягаемых поверхностей Ra, равной 3,2 мкм, и с получением переходной посадки или посадки с зазором между валом и внутренним кольцом подшипника, производят подготовку полимерной нанонаполненной анаэробной композиции, включающей 1,3 мас.% наночастиц оксида кремния в исходном составе, смешивают составляющие полимерной нанокомпозиции и осуществляют последующую ультразвуковую обработку полученной полимерной нанокомпозиции в течение 10 минут непосредственно перед ее нанесением, осуществляют очистку сопрягаемых поверхностей деталей перед нанесением упомянутой полимерной нанокомпозиции и обработку их средством для обезжиривания с выдержкой 15 мин, производят нанесение полимерной нанокомпозиции по окружности переднего края посадочной поверхности вала и внутренней поверхности компенсационной втулки, осуществляют запрессовку компенсационной втулки на подготовленный участок вала, осуществляют удаление лишней полимерной нанокомпозиции, производят полимеризацию полимерной нанокомпозиции в течение 12 часов, осуществляют создание на компенсационной втулке посадочной поверхности под подшипник путем механической обработки ее наружной части, устанавливают подшипник на восстановленную поверхность вала с применением полимерной нанокомпозиции.