"Способ неподвижного соединения деталей типа "вал-втулка" Советский патент 1993 года по МПК B23P11/02 

Изобретение относится к механосборочным работам и может быть использовано в металлургии для нужд машиностроения и ремонтного производства при создании и восстановлении неподвижных соединений типа вал-втулка (охватываемая и охватывающая детали), эксплуатируемых в металлургии и машиностроении.

Цель изобретения - повышение надежности, прочности, несущей способности, долговечности и производительности (соединения и способа соответственно).

Поставленная цель достигается тем, что в способе неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, включающем нагрев втулки, установку ее на вал с зазором, соответствующим разности контактно-посадочных диаметров, собираемых деталей, пластическое деформирование втулки и охлаждение деталей, разность контактно-посадочных диаметров (с1Вт и JB на чертеже не показаны) собираемых деталей устанавливают равной 0,0027...0,0057 исходной длины L3 втулки перед прокаткой, а пластическое деформирование осуществляют путем горячей пилиг- римовой прокатки.

Таким образом величина Рз равна

Д (0,0027...0,0057) . 1

Величина РЗ естественно прямо пропорциональна длине LS исходной (перед прокаткой) заготовки втулки, потому что, чем больше з, тем больше обычно зазорА и, наоборот, чем короче Ц, тем меньше бывает кривизна и меньше может быть зазор А.

Для обоснования выбора диапазона предельных значений исходного РЗ необходимо отметить в способе с горячей пилигри- мовой прокаткой втулки на валу влияние пяти упомянутых выше технологических факторов (в дальнейшем ТФ):

- возможность затравки переднего конца втулки, т.е. введения его между прокатными валками в начале прокатки и формирования жесткого переднего конца

(Л

00

ю о ю о

со

прокатываемой втулки позади (по ходу прокатки) валков пилигримового стана (ТФ1);

-величина (порционной) подачи прокатываемой втулки в валки перед каждым очередным ударом валков по втулке (ТФ2);

-коэффициент области сжатия по толщине стенки (отношение длины этой области к общей длине контакта) - ТФЗ;

-коэффициент полезного действия (в дальнейшем КПД) прокатки (отношение удлинения металла втулки к его уширению) - ТФ4;

-необходимость в процессе горячей пи- лигримовой прокатки втулки на валу гарантирования Р очаге деформации постоянства объемного напряжения сжатия (в дальнейшем ПОНС) металла втулки при каждом соударении с нею прокатных валков (в противном случае возникает интенсивное течение ее металла в направлении, перпендику- лярном направлению прокатки, т.е. происходит уширение металла втулки) - ТФ5.

Указанное в ТФ5 течение металла втулки вызывает дополнительные (вторичные) растягивающие напряжения, которые являются причиной снижения надежности и про- изводительности способа, создавая множество видов его брака, а именно:

-овализацию поперечного сечения прокатываемой втулки (вместо ее цилиндрической формы);

-трещинообразование в стенке втулки и даже ее разрушение;

-разностенность втулки (чрезмерные отклонения размеров толщины стенки втулки от номинала);

-закаты на втулках, т.е. наслоения уширившегося металла на них со складками.

Эти виды брака втулки по вине способа неподвижного соединения деталей прокаткой втулки на валу без регламентации РЗ, естественно, в свою очередь, ведут к браку соединения: к слабому сцеплению контактных слоев втулки и вала и даже к его отсутствию, а значит, к снижению надежности, прочности, долговечности соединения.

Выбор нижнего предела исходного РЗ, равного А мин 0,0027ц, продиктован неизбежным наличием определенной продольной (плоскостной или пространственной) кривизны исходной (перед прокаткой) заготовки втулки и обоснован минимальной возможностью реализации процесса 1, т.е. при Амин осуществление последнего хотя и крайне затруднено (иначе говоря, наиболее затруднено по сравнению со всеми остальными значениями РЗ из его диапазона А (0,0027.. .0,0057)Ц), но все же еще возможно. Зато процесс 2 протекает с наилучшей результативностью всех пяти его ТФ:

-свободно, легко и быстро происходит затравка, т.е. вводится передний конец

втулки между прокатными валками в начале прокатки и т.д. (ТФ1);

-возможна максимальная подача втулки в валки при прокатке, следовательно, и максимальная производительность прокатки (процесса 2) и способа в целом и без ущерба для качества втулки и соединения ее с валом, т.к. ПОНС обеспечено и все виды брака, возникающие при отсутствии ПОНС, минимизированы (ТФ2);

- коэффициент области обжатия по толщине стенки (отношение длины этой области к общей длине контакта) максимальный, т.е. весь очаг деформации и угол захвата заготовки валками производит полезную

работу в процессе 2 (ТФЗ);

КПД прокатки (отношение удлинения металла втулки к его уширению) максимальный, т.к. прокатные валки выполняюттолько обжатие (утонение) стенки втулки - в связи

с естественной ненадобностью догибания ее до соприкосновения с валом или выгибания ее в овал, ибо нет большого зазора и не надо его выбирать в ущерб схеме пластического утонения стенки (ТФ.4);

ПОНС металла втулки при прокатке гарантировано по той же причине, что и фактор предыдущего пункта (ТФ5).

Естественно, что такая результативность ТФ1-ТФ5 обеспечивает наилучшее

заполнение металлом прокатываемой втулки впадин неровностей наружного слоя вала и наилучшее (по прочности, несущей способности и долговечности) сцепление сопрягающихся .слоев втулки и вала.

Таким образом, при Амин у процесса 1 надежность и производительность минимальны, а у процесса 2 - максимальны при наименьшем браке по овализации, трещинообразованию, разностенности и закатам втулки и при наивыс

шем качестве соединения по прочности, несущей

способности и долговечности, в целом же способ имеет минимальную надежность и произ- водительность осуществления из-за особенностей процесса 1.

Выбор верхнего предела исходного РЗ, равного А макс 0,0057L3, продиктован и обоснован следующими (в порядке их значимости) факторами (в дальнейшем Ф1, Ф2 и т.д.):

1. Величиной линейного расширения

(сжатия) металла прокатанной втулки (если величина РЗ превышает эту величину, то естественно не происходит сцепления сопрягающихся слоев вала и втулки, ибо даже

после остывания последней между ними сохраняется зазор), возможностью за счет прокатки силового вдавливания пластического металла втулки в твердую поверхность металла холодного вала и диффузионного процесса между ними (Ф1).

2.Минимальной возможностью реализации процесса затравки переднего конца втулки в валки в начале прокатки, т.е. реализации ТФ1 в процессе 2 из-за упира- ния встык в рабочую поверхность прокатных валкой торца исходной заготовки втулки (в начале прокатки), что вызвано ее провисанием (при значительном РЗ), всегда эксцентричным относительно вала, его оси и оси калибров, создаваемых прокатными валками, т.е. при А макс осуществление ТФ1, хотя и крайне затруднено (иначе говоря, наиболее затруднено по сравнению со всеми остальными значениями РЗ из его диапазо- на Л (0,0027...0,0057), но все же еще возможно (Ф2).

3.Наихудшей (в допустимых пределах) осуществимостью процесса 2 и, значит, способа в целом и наихудшей результативностью процесса 2 по всем его пяти ТФ (ФЗ).

3.1.Касательно ТФ1 см. ближайший предыдущий п. 2.

3.2.Возможна только минимальная по- дача втулки в валки при прокатке, следовательно, и минимальная производительность прокатки (процесса 2) и способа в целом, притом с ущербом (хотя и допустимым) для качества втулки (и, значит, для качества со- единения), т.к. ПОНС не обеспечено и все виды брака, возникающие при отсутствии ПОНС, максимализированы, но в допустимых пределах (крайних) (ТФ2).

3.3.Коэффициент области обжатия по толщине стенки, т.е. использование очага деформации и угла захвата прокатных валков минимально, т.к. 25...30% его работают вхолостую из-за отсутствия ПОНС. (ТФЗ).

3.4.КПД прокатки - минимальный, т.к. прокатные валки выполняют не только обжатие (утонение) стенки втулки, но и редуцирование ее до соприкосновения с валом

и тем самым создают нежелательную овали- зацию профиля из-за большого РЗ и естественной необходимости его выбора (ТФ4).

3.5.ПОНС металла втулки при прокатке не обеспечено по той же причине, что и фактор предыдущего подпункта 4. (ТФ5).

Естественно, что такая результатив- ность ТФ1-ТФ5 обеспечивает наихудшее заполнение металлом прокатываемой втулки впадин неровностей наружного слоя вала и наихудшее (по прочности, несущей способности и долговечности) сцепление

сопрягающихся слоев втулки и вала, но в допустимых пределах.

Таким образом, при А макс у процесса 1 надежность и производительность максимальны, а у процесса 2 - минимальны при наибольшем (допустимом) браке по овали- зации, трещинообразованию, разностенно- сти и закатам втулки и при наинизшем (допустимом) качестве соединения по прочности, несущей способности и долговечности, в целом же способ имеет минимальную надежность и производительность осуществления из-за особенностей процесса 2.

Оптимальным (для достижения поставленной в способе цели) значением исходного РЗ является среднее значение АСр 0,0042L3, т.к. оно обеспечивает наилучшим образом сбалансированное по сравнению с любым другим значением А из диапазона А (0,0027...0,0057) сочетание надежности и производительности процессов 1 и 2 при оптимальном (незначительном) браке по овализации, трещинообразованию, разностенности и закатам втулки и при оптимальном качестве соединения по прочности, несущей способности и долговечности. В целом способ имеет оптимальные надежность и производительность осуществления.

Все это происходит благодаря оптимальному заполнению металлом втулки впадин неровностей наружного слоя вала и оптимальному, следовательно, сцеплению сопрягающихся слоев втулки и вала. Указанные заполнение и сцепление, в свою очередь, достигнуты за счет того, что при АСр 0,00421 з, во-первых, величина РЗ не превышает величину линейного расширения (сжатия) металла прокатанной втулки (что обеспечивает при остывании плотное сжатие вала втулкой), во-вторых, прокатка обеспечивает силовое вдавливание пластического металла втулки в твердую поверхность металла холодного вала и диффузионный процесс между ними (все это - Ф1) и, в-третьих, без затруднений и почти без брака (во всяком случае не по вине зазора) оптимально реализуются все процессы (1 и 2) и все технологические факторы (ТФ1-ТФ5), т.е.:

-свободно и быстро устанавливается перед прокаткой исходная заготовка втулки на вал (процесс 1);

-свободно и быстро осуществляется затравка, т.е. вводится передний конец втулки между прокатными валками вначале прокатки и т.д. (ТФ1);

-достигается оптимальная (близкая к максимальной) подача втулки в валки при прокатке, следовательно, и аналогичная

производительность прокатки (процесса 2) и способа в целом, притом почти без ущерба для качества втулки и соединения ее с валом, т.к. ПОНС обеспечено и все виды брака, возникающие при отсутствии ПОНС, незначительны (ТФ2);

-коэффициент области обжатия по толщине стенки, т.е. использование очага деформации и угла захвата прокатных валков максимально, т.к. 90...95% его производят полезную работу в процессе 2 (ТФЗ);

-КПД прокатки максимальный, т.к. прокатные валки и прокатный стан практически выполняют только обжатие (утонение) стенки втулки в связи с тем, что не надо (ПОНС обеспече. э) догибать ее до соприкосновения с валом или выгибать ее в овал, т.к. нет большого зазора и не надо его выбирать в ущерб схеме пластического утонения стенки (ТФ4);

-ПОНС металла втулки при прокатке обеспечено благодаря достаточной для него (для ПОНС) малости РЗ при Аср 0,0042Ц (ТФ5)

При выборе значения исходного РЗ выше верхнего предела, т.е. при А 0,00571 з, имеют место следующие (в порядке их значимости) факторы (в дальнейшем Ф1, Ф2 и т.д.):

1.Величина РЗ уже превышает величину линейного расширения (сжатия) металла прокатанной втулки, а прокатка не обеспечивает ни силового вдавливания пластического металла втулки в твердую поверхность металла холодного вала, ни диффузионного процесса между ними, и в результате нет контакта и не происходит сцепления сопрягающихся слоев вала и втулки, т.к. даже после остывания последней между ними сохраняется зазор (Ф1).

2.Становится совершенно невозможным вначале прокатки процесс затравки (т.е. введения) переднего конца втулки в валки и формирования жесткого переднего конца прокатываемой втулки позади (по ходу прокатки) валков пилигримового стана (ТФ1 в процессе 2): из-за не непреодолимого упирания встык в рабочую поверхность прокатных валков торца исходной заготовки втулки последний (торец) деформируется с образованием на нем фланца (после нескольких первых таких бесплодных ударных упираний), который становится абсолютно непреодолимым (механическим) препятствием для осуществления ТФ1. (ТФ2).

3.ТФЗ: невозможность ТФ1 естественно делает невозможным выполнение всех последующих за ним операций и ТФ (ТФ2ТФ5) процесса 2, а, следовательно, и способа в целом.

При выборе значения исходного РЗ ниже нижнего предела, т.е. при А 0,, продольная кривизна исходной (перед прокаткой) заготовки втулки не позволяет выполнить процесс 1, а значит, и способ в целом.

Таким образом, выбор запредельных

значений исходного РЗ так или иначе делает способ неработоспособным.

Сущность предлагаемого изобретения, характеризуемая причинно-следственной связью его отличительных признаков с

целью, заключается в следующем.

Если в известном способе параметры А исходного РЗ находятся вне поля зрения и учета (что приводит к множеству изложенных выше недостатков), т.к. известный способ не устанавливает (для гарантирования надежности и производительности способа, а также прочности несущей способности и долговечности соединений втулки и вала) конкретного оптимального диапазона этих

параметров А , то предлагаемое изобрете- ниетакой диапазон устанавливает с обоснованием его причинно-следственной связи с физическими свойствами и особенностями процесса заполнения впадин на поверхности вала пластически текущим металлом втулки при ее прокатке и остывании на валу (подробности изложены в данном описании, в его разделах Критика прототипа и Выбор предельных значений А).

Первооснова причинно-следственной связи цели изобретения и его отличительных признаков-это процессы 1 и 2 и всеТФ (ТФ1-ТФ5).

На фиг. 1, показана схема осуществления способа, исходное положение; на фиг. 2 - стадия осуществления и окончания горячей прокатки заготовки (гильзы) втулки на полом валу, жестко закрепленном в дорно- вом замке подающего аппарата; на фиг. 3 стадия охлаждения на воздухе многоштучной (двухштучной) заготовки соединения с прокатанной на валу охватывающей деталью (втулкой) после снятия с дорна; на фиг. 4 - стадия разрезки двухштучной охлажденной заготовки соединения на две од- ноштучные заготовки неподвижного соединения деталей типа вал-втулки ; на фиг. 5 - два готовых неподвижных соединения деталей типа вал-втулка.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что после предварительного нагрева втулки, точнее говоря, ее заготовки (гильзы), до температуры ее горячего пластического деформирования прокатными

валками ее устанавливают (надевают) на вал с регламентированным исходным перед прокаткой зазором (РЗ), равным разности их контактно-посадочных диаметров dBi и de, затем осуществляют на пильгерстане горя- чую пилигримовую прокатку втулки на валу с уменьшением наружного диаметра и толщины стенки первой, а после прокатки их охлаждают в сборе, например, в естественной среде - на воздухе.

При этом упомянутая разность составляет

Д dBT - dB (0,0027...0,0057)з,

где dBi - внутренний (посадочный) диаметр нагретой исходной (перед прокаткой) заготовки втулки:

dB- наружный (посадочный) диаметр вала;

- длина исходной заготовки втулки.

Возникающая в процессе горячей пи- лигримовой прокатки пластическая деформация нагретой втулки и принудительное силовое вдавливание внутреннего поверх- ностного слоя пластичной втулки в наружный поверхностный слой холодного твердого вала интенсифицируют процесс ползучести поверхностного слоя первой в поверхностный слой второго и приводят к затеканию металла втулки в микроскопические по величине естественные углубления, имеющиеся на неровной и негладкой необработанной поверхности охватываемой детали - вала. Вал - это катанная труба (без специальной механической обработки).

После окончания прокатки в естественно охлаждающемся соединении детали еще плотнее и сильнее сцепляются по всей контактной поверхности за счет интенсивного линейного сужения и сжатия остывающей (исходно нагретой) наружной (охватывающей) детали (втулки) вокруг исходно холодной и поэтому практически не уменьшающейся в размерах внутренней (охватывающей) детали (вала).

В процессе прокатки и затем остывания втулки благодаря регламентации исходного РЗ в заданных пределах (см. математическую зависимость (1)) обеспечивается по- лезное (для предлагаемого способа и для неподвижного соединения деталей типа вал-втулка) течение процессов 1 и 2 и всех ТФ и происходит оптимальное заполнение металлом втулки впадин естественных не- ровностей наружного слоя вала.

Пример.

Неподвижное соединение деталей типа вал-втулка производят на пилигримовом стане 5-12 с помощью опытно-промыш0

5

0

5 0 5

0 5

0 5

ленного прокатного дорнового устройства, состоящего из холодного полого вала 1 (выполняющего роль как бы одноразового до- рна и имеющего хвостовую часть а в виде дорновой головки), вставленного в дорно- вый замок подающего аппарата, и защитного дорнового кольца 2, которое может свободно перемещаться по поверхности холодного полого вала 1.

Предлагаемый способ осуществили следующим образом. Предварительно обеспечили - в пяти вариантах - заданный параметр А РЗ между валом 1 и нагретой заготовкой втулки 3. Конкретные значения А с конкретными результатами их влияния на прочность, несущую способность и долговечность соединения для сопоставления приведены в таблице. При этом при La - 2500 мм на основании расчета минимальная, средняя и максимальная величины соответственно составили:

Амин 0,0027x2500 7 мм Аср 0,0042x2500 10,5 мм Дмакс 0,0057x2500 14 мм

а запредельные величины Аменьше Амин и больше Дмакс соответственно приняты:

АН.мин 4 ММ Де.макс 18 ММ

Нагретую до температуры 1140...1180°С заготовку втулки 3, отдельную для каждого из указанных вариантов РЗ, свободно надели (установили) на полый вал 1 до упора ее торцом в дорновое кольцо 2.

При этом полый вал 1 - из ст. 20 ГОСТ 1050-74, а заготовка (гильза) втулки 3 - из ст. Х12; Х15 ГОСТ 5632-72.

После установки заготовки втулки 3 на полый вал 1 с наружным диаметром de 200 мм ее подвергают горячей пилигримовой прокатке с размера 360x80 мм при длине La 2500 мм до размера 285x42,5 мм при дли не 5420 мм (ст. фиг. 1-3).

Окончив прокатку, извлекают из дорнового замка подающего аппарата полый вал 1 и прокатанную на нем втулку 3 в сборе, после чего охлаждают на воздухе их соединение (на цепном холодильнике) - см. фиг. 3.

Для справки и для наглядности преимуществ предлагаемого способа необходимо отметить, что после охлаждения неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, производят разрезку длинной исходной (двойной) заготовки соединения на две части (см, фиг. 4), каждая из которых является

заготовкой для одного изделия вал-втулка, а после этого выполняют все необходимые окончательные операции механической (наружной) обработки (обточки) каждой штучной заготовки соединения и получают два, готовых с эксплуатации соединения (см. фиг. 5).

В этом контексте в предлагаемом способе экономически и технически (выше и проще достигается точность центровки втулки и вала) целесообразно изготовление (с прокаткой) длинной, многометровой и многоштучной заготовки соединения, а в известном способе с запрессовыванием или с посадкой - изначальным зазором, наобо- рот (см. в разделе критики трудности глубокой расточки и центровки вала и втулки, если они длинные). Таким образом, производительность в предлагаемом способе повышается не только за счет быстроты прокатки (в противововес длительности глубокой расточки, обточки, центровки и других механических операций), но и за счет возможности прокатки многоштучного цельного соединения (втулки на валу) с од- них общих операций нагрева, установки, снятия с дорна, охлаждения и даже дальнейшей общей обточки втулки снаружи (в примере с послепрокатного диаметра 285 мм на окончательный рабочий диаметр втулки 270 мм).

По сравнению с любым известным способом прессового соединения (с натягом или с зазором при посадке), предлагаемый способ соединения горячей прокаткой втул- ки на валу имеет следующие преимущества:

Повышение надежности и производительности способа посредством гарантии нормального течения процессов 1 и 2 и всех ТФ в процессе 2.

Повышение прочности, несущей способности и долговечности соединения с прокаткой втулки на валу посредством гарантии усиления сцепления сопрягающихся слоев втулки и вала в их контактной зоне за счет эффективного заполнения металлом втулки впадин естественных неровностей наружного слоя вала благодаря регламентации РЗ.

Повышение эксплуатационной надеж- ности, долговечности и ресурса работоспособности соединения.

Значительная экономия металла, энергии и трудозатрат за счет снижения их же

потерь, неизбежных при изготовлении непрочных, ненадежных и недолговечных соединений.

Особо важное значение снижение металлоемкости приобретает при втулке из дорогостоящего металла, например из высоколегированной стали.

Расширение диапазона технологических возможностей способа за счет сочетания технологичности и высокой несущей способности, прочности соединения с незаменимостью способа, при необходимости надежного неподвижного соединения или длинномерного, или крупнодиаметрального, или при тонкостенности (и особотонко- стенности) втулки, или при высоком пределе прочности (и низком пределе текучести) ее материала, или при дороговизне последнего, или при всех этих факторах, частично или полностью вместе взятых.

При этом прочность и несущая способность соединения, изготовленного по предлагаемому способу при среднем (оптимальном) значении РЗ АСр 0,00421 з 10,5 мм выше чем, после изготовления при его крайних предельных значениях (Амакс 0.057L3 14 мм и Дмин 0,00271 з 7 мм), при испытании на крутящий момент соответственно в 16 и в 15 раз. По наличию трещин после охлаждения по сравнению с изготовлением при том же минимальном значении Дмин прочность выше в 22 раза.

За базовый, а точнее, за сравнительный объект принят способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка горячей пи- лигримовой прокаткой втулки на валу без регламентации РЗ.

Форму.ла изобретения Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, включающий нагрев втулки, установку ее на вал с зазором, соответствующим разности контактно-посадочных диаметров собираемых деталей, пластическое деформирование втулки, охлаждение деталей, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, прочности, несущей способности, долговечности и производительности, разность контактно- посадочных диаметров собираемых деталей устанавливают равной 0,0027-0,0057 исходной длины втулки перед прокаткой, а пластическое деформирование осуществляют путем горячей пилигримовой прокатки.

Использование: сборочное производство. Сущность изобретения: нагревают втулку, устанавливают ее на вал с зазором, равным 0,0027...0,0057 исходной длины втулки перед прокаткой, осуществляют горячую пилигримовую прокатку втулки на валу. 5 ил., 1 табл.

Y//////// ///,

И

&

///////////

хч м к vi

Фы 3

Л У

////////At

ч ч-.

v

Х

22у.2

S,

. 7(

////////////Л

///////////

Фы 3

/ЛУ//77

9z

/7//iY//7///

м м

&Ьг.Г