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

сл

с

Использование: механосборочное производство. Сущность изобретения: втулку нагревают, устанавливают на вал. деформируют путем горячей пилигримовой прокатки до соотношения толщины стенки втулки к ее наружному диаметру, равному более 0.167. 7 ил., 1 табл.

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), необходимо эксплуатируемых в металлургии и машиностроении.

Цель изобретения - повышение прочности, несущей способности и долговечности соединения за счет сохранения устойчивости профиля поперечного сечения втулки в процессе пластического деформирования.

Это достигается тем, что в способе, включающем нагрев втулки, установку ее на вал, пластическое деформирование втулки и охлаждение соединенных деталей, пластическое деформирование осуществляют путем горячей пилигримовой прокатки, причем прокатку ведут до соотношения толщины S стенки втулки к ее наружному диаметру D, равному более 0,0167, т.е.

1

D

0,167,

Выбор нижнего, равного 0,167, предела названного соотношения определен объективным соотношением, т.е. равнодействующей силой некоторых внутренних силовых процессов в теле втулки при ее прокатке и при ее остывании после прокатки, а это со- .отношение в свою очередь зависит непосSредственно от величины - .

Речь идет о процессе горячей пластической деформации обжатия (уменьшения толщины стенки и одновременного удлинения заготовки-раската-втулки) под действием внешних сил механических ударов, о

00

со

VI 00 N)

GJ

последующем процессе деформации температурного сжатия прокатанной втулки при ее. естественном на воздухе, охлаждении (после прокатки), т.е. при остывании, и о происходящем при этом охватном зажатии- схватывании вала втулкой.

Характер течения металла (его пластической деформации) при прокатке таков, что при каждом мгновенном ударе двух валков по заготовке, кроме процесса обжатия (уто- нения стенок и удлинения заготовки), происходит еще и деформация (изменения геометрической формы) самого профиля сечения втулки, ее некоторое сплющивание, т.е. овализация, которая в определенной мере снижается (частично компенсируется) при дальнейшем - после прокатки - остывании втулки внутренними силами линейного . сужения-сжатия, противоположными внутренним силам линейного расширения при нагреве.

Соотношение степени овализации при прокатке и степени ее снижения при остывании, а также какая окажется преобладающей и побеждающей в конечном итоге - все это непосредственно определяется и решается величиной отношения -т.

S

При выборе отношения-г больше ниж-

S

него предела (при -г 0,167), т.е. при толстостенных втулках, степень овализацим (при прокатке) не значительна, а степень ее снижения достаточно велика, чтобы пере- крыть (компенсировать с избытком) степень овализации.. Таким образом в процессе остывания слабая овализация устраняется (исчезает) полностью, втулка по всей линии замкнутого контура сопряжения в сечении плотно прилегает и зажимает своей внутренней окружностью окружность валка. Происходит это потому, что с одной стороны за счет мощных внутренних упругих сил сопротивления толстостенной втулки внеш- ним силам овализации (при прокатке) последняя оказывается незначительной и с другой стороны за счет более мощных и более равномерных по контуру сечения (благодаря толстостенности втулки) сил ли- нейного температурного сжатия при остывании втулки, притом слабо овализированной.

с Т.е. при -т 0,167 в конечном итоге овализацию абсолютно побехедает (устраняет пол- ностью и с запасом-избытком) последующее температурное сжатие, при этом обеспечивается плотное прилегание втулки к валу и сильное охватное зажатие его ею по всему

замкнутому контуру их сопряжения в сечении, причем, в любом и каждом сечении.

с

При выборе отношения-г меньше нижg

него предела (при-г 0,167), т.е. при тонкостенных втулках, степень овализации (при прокатке) значительна, а степень ее снижения (при остывании) не достаточна, чтобы перекрыть или хотя бы уравновесить степень овализации: в процессе остывания более сильная (по сравнению с температурным сжа- тием)овализация устраняется лишь частично, снижается ее степень, т.е. ее величина (разность максимального и минимального диаметров овала), но поледствия овализации как физического явления, а именно овальная форма втулки в поперечном сечении неподвижного соединения деталей типа вал-втулка сохраняется. Таким образом, втулка плотно прилегает к валу и зажимает его только в двух точках замкнутого контура их сопряжения в сечении, все больше и больше отслаиваясь (с большим зазором) от окружности вала по мере отдаления остальных рассматриваемых точек контура от этих двух точек прилегания. Имеет место явно выраженная ситуация, когда при прокатке втулки на валу ее прилегание к нему не полное, а частичное, как в любом сечении их соединения, так и по длине последнего. И происходит это потому, что с одной стороны за счет того, что слабые внутренние упругие силы сопротивления тонкостенной втулки деформированию сечения ее не в состоянии преодолеть мощные внешние силы овализации (при прокатке) и с другой стороны за счет того, что также и в том же преодолении несостоятельны и неравномерны (в связи с тонкостенностыо и нежесткостью профиля втулки) и слабые силы линейного температурного сжатия втулки, притом сильно овализированной.

Т.е. при .167 в конечном итоге

овализация побеждает последующее температурное сжатие и поэтому устраняется она не полностью, а частично и не значительно, т.е. сохраняются ее вредные последствия - нежелательная овальная форма (вместо желательной круглой) внутреннего контура втулки и прилегание втулки к валуе зажатием его ею только все в тех же двух

точках. Но при этом, чем ближе -т по величине к 0,167, тем меньше величина сохранившейся овализации, т.е. меньше зазор при отслоении.

При выборе отношения §

а

равным

нижнему пределу (при -т 0,167), т.е при

граничных втулках, степень овэлизации (при прокатке) и степень ее снижения (при остывании) как бы выравниваются по величине: в процессе остывания силы температурного сжатия преодолевают овализацию устраняют ее, но уравновешенно - без перекрытия, без избытка - запаса. Это проявляется в том, что максимальный диаметр овала становится равным минимальному (у втулки), их разность исчезает, втулка всем внутренним контуром своего сечения прилегает (по окружности) к окружности вала, но плотное прилегание есть только в двух точках удара валков при прокатке, а в остальных точках контура сопряжения .прилегание не плотное, а значит неподвижное соединение деталей типа вал-втулка также недостаточно

S прочное, как и при -г 0,167.

S Т.е. при -т 0,167 в конечном итоге не

побеждает ни овализация, ни температурное сжатие. Между ними равновесие, как бы боевая ничья. При этом овализация устраняется полностью, достигается соприкосновение замкнутых контуров втулки и вала в сечении, но плотное прилегание по всему контуру не обеспечено, оно есть только все в тех же двух точках удара.

Что касается верхнего предела соотношения -г , то его отсутствие объясняется

5 тем, что, чем больше-т (большее 0,167), тем

плотнее прилегание втулки к валу по всему контуру их сопряжения в сечении, тем сильнее охватное зажатие его ею и их взаимное сцепление и тем выше прочность и несущая способность неподвижного соединения деталей типа вал-втулка.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Если в известном способе соотношение параметров, влияющих на устойчивость профиля поперечного сечения втулки в процессе и в результате ее пластического деформирования, находится вне поля зрения и учета (что приводит к потере этой устойчивости с овализацией втулки, к неплотному с зазором ее прилеганию к валу и, следовательно, к снижению прочности, несущей способности и долговечности соединения, а значит к неоправдывающим себя значительным потерям металла, энергии и труда

на производство ненадежных, недолговечных неподвижных соединений вала и втулки), т.к. известный способ не устанавливает (для гарантированной прочности и долговечности соединений) конкретного оптимального диапазона величин соотношения этих параметров - толщины S стенки втулки к ее наружному диаметру D, то изобретение такой диапазон устанавливает (для процес0 са прокатки) в его естественной причинно- следственной связи с физическими свойствами и особенностями процесса прокатки и остывания после нее и тем самым достирает сохранения указанной устойчиво5 сти без овализации втулки, обеспечивая плотное беззазорное зажатие-охватывание (прилегание) вала втулкой сплошь по всей их контактной поверхности и соответственно прочное сцепление их сопрягающихся сло0 ев со всеми вытекающими отсюда преимуществами.

На фиг,1 показано идеальное поперечное сечение неподвижного соединения де5 талей типа вал-втулка горячей пилигримовой прокаткой; на фиг.2 - реальное поперечноесечение того же соединения горячей пилигримовой прокаткой при отсутствии регламентации условий сохранения устойчивости профиля поперечного сечения втулки; на фиг.З - схема осуществления предлагаемого способа, исходное положение; на фиг.4 - стадия осуществления и окончания горячей прокатки заготовки

5 (гильзы) втулки на полом валу, в свою очередь надетом и жестко закрепленном на дорне; на фиг.5 - стадия охлаждения на воз-, духе многоштучной (двухштучной) заготовки соединения с прокатанной на валу охваты0 вающей деталью после снятия с дорна; на фиг.6 - стадия развертки двухштучной охлажденной заготовки соединения на две од- ноштучные заготовки неподвижного соединения деталей типа вал-втулка ; на

5 фиг.7 - два готовых неподвижных соединения деталей типа вал-втулка.

После предварительного нагрева втулки, а именно заготовки (гильзы), до температуры ее горячего пластического

0 деформирования прокатными валками ее устанавливают (надевают) на вал, затем осуществляют на пилыерстане горячую пилмг- римовую прокатку первой на втором с уменьшением наружного диаметра и толщи5 ны стенки первой и после прокатки их охлаждают в сборе, например в естественной среде - на воздухе. При этом указанную прокатку ведут так, чтобы отношение толщины S стенки втулки к ее наружному диаметру D после окончания прокатки составляло более 0,167.

Возникающая в процессе горячей пи- лигримовой прокатки пластическая деформация нагретой втулки и принудительное, силовое вдавливание внутреннего поверхностного 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 необ- работанной или грубо обработанной поверхности охватываемой детали--вала.

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

Прим е р. Неподвижное соединение деталей типа вал-втулка производят на пи- лигримовом стане 5-12 с помощью опытно- промышленного прокатного дорнового устройства, состоящего из дорна 1, дорно- вогозамка2, стопорной шайбы 3 и дорнового кольца 4, при этом.первые три узла жестко скреплены между.собой, а кольцо 4 может свободно перемещаться по поверхности полого холодного вала 5, с зазором надетого на дорн 1 до упора одним своим торцом и поперечной прорезью соответственно в торец и выступ шайбы 3 и прижатого к последним резьбовым креплением 6 на другом конце дорна.

Предлагаемый способ осуществили следующим образом.

Нагретую до 1140...1180°С заготовку втулки 7 свободно с зазором 5...7 мм, надели-установили на полый вал 5 до упора ее торцем в дорновое кольцо 4.

При этом полый вал 5 - из ст-20 ГОСТ 1050/74, а заготовка (гильза) втулки 7 - из ст. Х12; Х15 ГОСТ 5632.72. После установки заготовки втулки 7 на полый вал 5 с наружным диаметром dD. надетый и закрепленный на дорне 1, ее подвергают горячей пилигримовой прокатке с размера 360 мм х Зз при длине 1з до размера 285 мм х S при длине 5420 мм (см.фиг.3-5). Фактические значения переменных (для каждого способа

.S

.и для его предела значения -г, соответстSвенно) величины . S,,S и -г конкретное)

для сопоставления приведены в таблице.

Окончив практику, отсоединяют дорн 1 от дорнового замка 2 и стопорной шайбы 3. после чего с дорна 1 снимают и потом охлаждают на воздухе соединение прокэтанной втулки 7 с полым валом 5 (см.фиг.5).

Для справки и для наглядности преимуществ предлагаемого способа необходимо отметить, что после охлаждения соединения типа вал-втулка, производят разрезку длинной исходной - двойной - заготовки соединения на две части (см.фиг.6), каждая из которых является заготовкой для одного изделия вал-втулка, а после этого выполняют осе необходимые окончательные .

операции механической (наружной) обработки (обточки) каждой штучной заготовки соединения и получают два готовых к эксплуатации соединения (см. фиг.7).

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 известн ом способе с запрессовыванием или с посадкой с изначальным зазором, наоборот. Таким образом, производительность в предлагаемом способе повышается не только за счет быстроты прокатки (в противовес

длительности глубокой расточки, обточки, центровки и других механических операций), но и за счет возможности прокатки многоштучного цельного соединения (втулки на валу) с одних общих операций нагрева,

установки, снятия с дорна, охлаждения и даже дальнейшей общей обточки втулки снаружи (в примере с послепрокатного 0 285 мм на окончательной рабочий диаметр втулки 0 270мм),

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

повышение прочности и несущей способности соединения (конкретные числовые данные этого преимущества изложены в таблице);

снижение трудо-, энерго- и металлоемкости способа и повышение его производительности, т.к. исчезла надобность в предварительной механической обработке втулки и вала (в глубокой расточке втулки), например, в центровке втулки и вала, в запрессовывании, тем более, что запрессовы- аание или даже свободное (с зазором) насаживание втулки в десятки или несколько раз менее производительная операция, чем ее горячая пилигримовая прокатка;

особо важное значение снижение металлоемкости приобретает при втулке из до- рогостоящего материала, например из высоколегированной стали;

расширение диапазона технологиче- ских возможностей способа за счет сочетания технологичности и высокой несущей способности - прочности соединения с незаменимостью способа - при необходимости надежно 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 последне- го. или при всех этих факторах, частично или полностью вместе взятых;

повышение эксплуатационной надежности, долговечности и ресурса работоспособности неподвижного соединения деталей типа вал-втулка.

За базовый (сравнительный) объект принят способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка горячей пилигримовой прокаткой втулки на валу без регламентации S S

соотношения -т

, т.е. при

0,167.

Наружный диаметр полого вала

eib, MM20U

Толщина стенки заготовки втулки

.S}, мм80

Длина заготовки втулки Ъ3, нм 2500

Толщина стенки прокатанной

втулки S, ммЬ2,5

Фактическая величина отноше- иия |

Овализация отулки на валу после прокатки и охлажденияЕсть

Местонахождение плотного прилегания втулки к залу о их поперечном сечении

feВ дву тиаоп точка сания рлгакх конту и зал

Характер плотного прилегания по сопрягавдися поверхностям . втулки и вала

Прочность и несуцая способность, характеризуемая

По

Прочность и несущая способность соединения, изготовленного с соотношением S -г 0.167 выше, чем после изготовления со

значением™ 0,167 и 0,167:

при испытании на крутящий момент соответственно в 1,5 и в 1.9 раза;

по наличию трещин после охлаждения в 1,3 и в 1,8 раза.

Формула изобретения

Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, включающий нагрев втулки, установку ее на вал, пластическое деформирование втулки, охлаждение соединенных деталей,отличающийся тем, что, с целью повышения прочности, несущей способности и долговечности соединения за счет сохранения устойчивости профиля поперечного сечения втулки в процессе пластического деформирования, пластическое деформирование осуществляют путем горячей пилигримовой прокатки, причем прокатку ведут до соотношения толщины стенки втулки к ее наружному диаметру, равному более 0,167.

ISO

эо

2730 52,5

ЙЈч.«7

52,5 п ,рг 2В5 ° 85

Нот

ки

инии

Нет

По всему контуру сопрягающихся окружностей втулки и вала.

Сплошь по всей поверхности сопряжения

17

it

13

10

Л Ч ,

/ ////////7у./-/

7-У //// ////////

«ч

/У,

у

7 / /-/// /// /

1

л 7// / / / /

/ /у/

У////// //ЛХ /7/////// Z. 44 Ч Ч ЧМ ч х v N. N

W

.Ј

-&Ъ&,.6..

k

1834782

Зазо/э с/з-jg. T0mcJ0f#esst /х/

00 t2 ftSs}0C4CSt/

&.3

/

Л w

ХЛ УТЛЛ

/7/7

г

2ZZZZZZ.

.

S

1

л 7// / / / /

/ /у/

f

/S

.Ј

г,.