Способ сборки прессовых соединений типа вал-втулка Советский патент 1992 года по МПК B23P11/02 

Изобретение относится к механосборочному производству и может быть использовано для прессовых соединений типа вал-втулка с гарантированным натягом.

Повышение прочности прессовых соединений под действием осевой сдвигающей силы или момента является актуальной задачей современного машиностроения. Так, для повышения указанных характеристик производят сборку вала и втулки с абразивом.

Недостатком этого способа является повышенный износ сопрягаемых поверхностей в процессе эксплуатации, т.к. возникающее при этом микропроскальзывание деталей вызывает их царапание абразивом.

Другой способ повышения прочности соединений - сборка методом впрыска расплавленного металла в сопряжение вала со втулкой. Впрыскивается цинк или свинец, которые после охлаждения затвердевают и образуют простые связи, Недостатком этого способа является сложность оборудования, а также то, что физические свойства впрыскиваемого материала значительно отличаются от материалов сопрягаемых деталей (например, модуль упругости, твердость, коэффициент линейного расширения, температура плавления и др.), что накладывает ограничения на условия эксплуатации узла.

Ближайшим аналогом, взятым за прототип, является способ соединения деталей вал-втулка методом запрессовки, включающий центрирование соединяемых деталей,

«««а Ч

О

ю

го

приложения усилия к одной из соединяемых деталей и воздействие гармоническими колебаниями на вал и втулку. На вал воздействуют колебаниями ультразвуковой частоты вдоль оси соединения, и одновременно на втулку перпендикулярно оси соединения, при этом фазы указанных колебаний сдвинуты по времени на половину периода.

Недостатком данного способа является незначительное повышение прочности сое- динения от действия осевой сдвигающей силы или момента и большие энергозатраты. Целью изобретения является повышение прочности прессовых соединений в осе- вом направлении и под действием момента, достигаемое в процессе сборки путем активного воздействия на контактирующие поверхности вала и втулки, что приводит к образованию мостиков сварки между ними и уменьшению энергозатрат при соединении деталей из различных групп металла.

Это достигается тем, что как и в известном способе соединения вал-втулка методом запрессовки, включающем цен- трирование соединяемых деталей, приложение усилия к одной из соединяемых деталей, воздействуют на них ультразвуковыми колебаниями, Но при этом накладывают на вал и на втулку синфазные ультразвуковые колебания, с суммарной амплитудой 4...5 мкм до момента, когда втулка займет требуемое положение на валу. Затем усилие сборки снимают и увеличивают суммарную амплитуду, причем подачу ульт- развуковых колебаний ведут в течение 4.„6 с, а значение суммарной амплитуды определяют из соотношения:

§макс -

0,01 К -тзап -Л-6 Е(1 -a2) -f

где Јмакс Ј вала + Ј втулки - суммарная амп- литуда ультразвуковых колебаний вала и втулки;

Муд удельная мощность тепловыделения при трении, необходимая для образо- вания мостиков сварки между поверхностями отнесенная к единице поверхности, Вт/мм2;

d - диаметр, по которому происходит запрессовка, мм;

К - коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трения в контакте под воздействием ультразвука;

faan - коэффициент трения при запрессовке;

д - натяг при запрессовке, мм;

5

0

5 0

5 0 5

0

5

0

5

Е - модуль упругости материала втулки и вала, кгс/мм2;

f - частота ультразвуковых колебаний;

d . а -г- , d2 наружный диаметр втулки,

02

мм.

Существенным отличием является то, что обе детали получают продольные синфазные ультразвуковые колебания, направленные в разные стороны, причем сборка ведется при суммарной амплитуде ультразвуковых колебаний 4...5 мм, а при достижении втулкой требуемого положения на вале, амплитуды увеличиваются таким образом, чтобы возникающее тепловыделение от трения поверхностей вала и втулки друг о друга способствовало образованию между этими поверхностями мостиков сварки. Время обработки 4...6 с. Именно такие действия позволяют повысить прочность соединения в осевом направлении и под действием момента на 50...70%.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа и стоячая волна распространения ультразвуковых колебаний в объекте.

На схеме выделены следующие позиции; 1 - вал, 2 - втулка, 3 - концентратор ультразвукового преобразователя вала, 4 - концентратор ультразвукового преобразователя втулки, 5 - цанга вала, 6 - цанга втулки.

Последовательность действий и их физическая сущность при предлагаемом способе состоят в следующем;

Ось вала 1, закрепленного в цанге 5, являющейся частью ультразвуковой колебательной системы, совмещают с осью втулки 2, закрепленной в цанге 6, которая закреплена в концентраторе ультразвукового преобразователя 4.

На вал и на втулку подают продольные ультразвуковые колебания с суммарной амплитудой 4...5 мкм (установлена экспериментально) и прикладывают статистическое усилие к одной из деталей (на фиг.1 к валу). Сообщение ультразвуковых колебаний обеим деталям необходимо для снижения и у вала, и у втулки предела текучести ov в 3,5...4 раза, чтобы обеспечить процесс пластического деформирования микрообьемов приповерхностных слоев металла. Вал запрессовывается во втулку. Это действие сопровождается следующими физическими явлениями. При введении в зону сопряжения дополнительной энергии ультразвуковых колебаний происходит интенсивное разрушение окисных пленок и образование вследствие этого в зоне трения ювенильных

поверхностей и физического контакта. Одновременно возникают циклические нормальные или сдвиговые напряжения, способствующие усталостному разрушению интерметаллических связей и, как следствие, приводящие к уменьшению сил и коэффициента трения в 2...4 раза. Указанными действиями производится подготовка поверхностей к образованию мостиков сварки, для чего нужно:

обязательная очистка сопрягаемых поверхностей от отсорбированных ими веществ и окисных пленок и обеспечение контакта между ювенильными (чистыми) поверхностями;

максимальное увеличение площади фактического контакта сопряженных поверхностей (это условие обеспечивается самим процессом ультразвуковой запрессовки в связи с увеличением фактического давления в контакте и пластическим деформированием микронеровностей контактирующих поверхностей).

При достижении втулкой требуемой координаты положения относительно вала действие статического усилия снимается, а суммарная амплитуда предельных ультразвуковых колебаний вала и втулки увеличивается до значений, достаточных для образования мостиков сварки в твердой фазе трением поверхностей друг о друга,

В этом же направлении действует повышение температуры контактирующих поверхностей за счет диссипации энергии ультразвуковых колебаний. Произведен расчет параметров процесса.

Мощность тепловыделения при трении определяется зависимостью

N P V,

(1) 40

где Р - сила, действующая в контакте;

V - скорость относительного перемещения.

Сила Р, возникающая при запрессовке цилиндрического соединения определяется по следующей зависимости

P f3an ЯРо d I,

)

где f3an коэффициент трения;

d - диаметр, по которому происходит запрессовка;

I - длина втулки;

Ро - напряжение в контакте вал-втулка,

Ро

rif Ci ... С2 ч а EI + Е2

И)

5

где di - диаметр отверстия в вале (если оно имеется);

d2 - наружный диаметр втулки;

№ коэффициенты Пуассона соответственно вала и втулки;

EI; Ј2 - модули упругости соответственно вала и втулки.

При запрессовке деталей из одного материала и отсутствии отверстия в вале зависимость (3) примет вид

5

а-Е

d(.)

Тогда (3) выразится

Тзап Л д

, где а

di d2

(5)

Р

EQ-a2)

(6)

40

30

Найдем скорость V при подаче ультразвуковых колебаний в зону соединения.

Амплитуда ультразвуковых колебаний определяется из выражения

Ј Јмакс Sin COt(7)

где |макс максимальное значение амплитуды колебаний;

О) - круговая частота ультразвуковых колебания, й) 2л:т;

t - время.

Производная от выражения (7) дает значение скорости

V ЈМакс О) COS ft) t(8)

7 t

,,. Максимальное значение скорости перемещения деталей при введении в зону соединения ультразвуковых колебаний определяется как

Умакс Јмакс (У 2 JTf Јмакс(9)

CQ Подставляя (6) и (9) в (1), получим

N f3an -I -а -Е(1 -а2)-Јмакс f (10)

Учитывая снижение коэффициента трения между деталями, при воздействии на них ультразвуковыми колебаниями в 2...4 раза 55 4 коэффициентом К 0,25...0,5 получим

N-KfanJl2 I д Е ( 1 - а2 ) f (11)

Определим среднюю удельную мощность тепловыделения, отнесенную к

единице поверхности (площадь контакта F пй)

NydК -Т3ап -П-д Е(1 -a2)gMaKCf

(12)

Отсюда амплитуда ультразвуковых колебаний, необходимая для образования мостиков сварки,составит

5макс -

К Тзап Л 6 Е ( 1 - а2 ) f

(13)

где Ыуд - необходимая для образования мостиков сварки, удельная мощность тепловыделения, отнесенная к единице поверхности выбирается для различных пар материалов по справочнику, где значения NyA приведены в Вт/мм . Для согласования размерностей физических величин в формуле (13) надо ввести коэффициент 0,01. Таким образом, окончательно зависимость (13) выразится

§макс -

0,01 К тзап я д Е ( 1 - а2 ) f

(14) В этой формуле

Ny j - в Вт/мм2; d - в мм; д - в мм; Е - в кг/мм ; f - в 1 /с; | - в мм.

Произведем расчет для вала из стали 40Х и втулки из стали 20; d 20 мм; иг 30

мм; f-n 0,2; К 0,5; Е 2 104 кг/мм2; f 2 10 1/сек: (5 0,01 мм.

Дчя выбранной пары материалов Муд 5 Вт/мм2

Ј«.

5-20

0,01 0.5 0,2 0,01 2 0л 0.56 2 104 3,14

0.0142мм

Для пары сталь ШХ 15-сталь45 Ыуд 15,0 Вт/мм ; Јмакс 0,043 мм.

Экспериментально установлено оптимальное время, необходимое для получения наиболее прочного соединения, Данные для приведенных выше условий показаны в таблице.

Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что оптимальное время находится в пределах 4...6 с. Увеличение времени воздействия ультразвуковыми колебаниями на детали существенно прочности соединения не повышает (данные колеблются в пределах ошибки измерения), а производительность процесса снижается.

Аналогичное время 4...6 с было получено для многих сочетаний пар соединяемых

0

5

0

5

0

деталей, в частности, сталь 20 - сталь 45, сталь20-сталь ШХ15, сталь40Х-сталь45, сталь 40Х - сталь 20, сталь ШХ15 - сталь ШХ15.

Использование предлагаемого способа соединения вал-втулка по сравнению с прототипом позволит повысить прочность соединения в осевом направлении на 50...70%, а это приведет к повышению надежности всего узла.

Формула изобретения Способ сборки прессовых соединений типа вал-втулка, включающий центрирование собираемых деталей, приложение усилия к одной из них, воздействие на детали ультразвуковыми колебаниями, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности соединения и уменьшения энергозатрат при соединении деталей из различ- ных групп материалов, в качестве ультразвуковых колебаний используют продольные синфазные разнонаправленные ультразвуковые колебания вала и втулки с суммарной амплитудой 4...5 мкм до момента, когда втулка займет требуемое положение на валу, затем усилие сборки снимают и увеличивают суммарную амплитуду, причем подачу ультразвуковых колебаний ведут в течение 4...6 с, а значение суммарной амплитуды определяют из соотношения

ьмакс -

5

0

5

0

5

L J

0,01 К -тзап -я-«5Е(1 -a2) -f

где Јмакс Јвала + ЈвтУлки- суммарная амплитуда ультразвуковых колебаний вала и втулки, мм;

МУд - удельная мощность тепловыделения при трении, необходимая для образования мостиков сварки между поверхностями вала и втулки (выбирается по справочнику (5), Вт/мм2;

d - диаметр, по которому происходит запрессовка, мм;

К- коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трения в контакте под воздействием ультразвука;

Тзап - коэффициент трения при запрессовке;

д- натяг при запрессовке, мм;

Е - модуль упругости материала втулки и вала, кгс/мм2;

f - частота ультразвуковых колебаний, Гц;

a d/da;

d2 - наружный диаметр втулки, мм.

Использование: в механосборочном производстве, для прессовых соединений типа вал-втулка с гарантированным натягом. Сущность изобретения: способ соединения вал-втулка путем запрессовки включает центрирование соединяемых деталей, приложение усилия к одной из соединяемых деталей и воздействие на обе детали продольными, синфазными ультразвуковыми колебаниями до момента, когда втулка занимает на валу положение, при котором усилие сборки снимают. Сборка ведется при амплитуде ультразвуковых колебаний 4-5 мкм. После этого амплитуды ультразвуковых колебаний увеличивают так, что суммарная амплитуда была бы достаточной для образования мостиков сварки между деталями, и такую обработку ведут 4-6 с. 1 ил., 1 табл.