Способ сборки прессовых соединений типа вал-втулка

(51)5 В 23 Р 1 БРЕТЕНИ ПИСАН КОМУ СВИДЕТ Т А По динен силы и дачей для и произ вышен й под ли мо оврем выше одят с ие прочности пр действием осевой мента является а енного машинос ния указанных х борку вала и втул ессовых сое сдвига ющей туальной за роения, Так рактеристик ки с абрази вом.Недостат вышенный и стей в про возникающее вание деталей зивом. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ;.РИ ГКНТ СССР(71) Самарский политехнический институтим, В.В.Куйбышева и Самарский филиал института машиноведения им.А.А.Благон равова(56) Авторское свидетельство СССРМ 1344566, кл, В 23 Р 11/02, 1986,(54) СПОСОБ СБОРКИ ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА ВАЛ-ВТУЛКА(57) Использование: в механосборочномпроизводстве, для прессовых соединенийтипа вал-втулка с гарантированным натяИзобретение относится к механосбо рочному производству и может быть исполь зовано для прессовых соединений типа вал-втулка с гарантированным натягом. ом этого способа является понос сопрягаемых поверхноцессе эксплуатации, т.к.при этом микропроскальзывызывает их царапание абрагом, 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,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 сопрягаемь 1 х деталей (например, модуль уп ругости, 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,приложения усилия к одной из соединяемыхдеталей и воздействие гармоническими колебаниями на вал и втулку. На вал воздействуют колебаниями ультразвуковой частотывдоль оси соединения, и одновременно на 5втулкуперпендикулярноосисоединения,приэтом фазы указанных колебаний сдвинуты повремени на половину периода,Недостатком данного способа являетсянезначительное повышение прочности соединения от действия осевой сдвигающейсилы или момента и большие энергозатраты.Целью изобретения является повышение прочности прессовых соединений в осевом направлении и под действием момента,достигаемое в процессе сборки путем активного воздействия на контактирующиеповерхности вала и втулки, что приводит кобразованию мостиков сварки между ними 20и уменьшению энергозатрат при соединении деталей из различных групп металла.Это достигается тем, что как и в известном способе соединения вал-втулкаметодом запрессовки, включающем центрирование соединяемых деталей, приложение усилия к одной из соединяемыхдеталей, воздействуют на них ультразвуковыми колебаниями, Но при этом накладывают на вал и на втулку синфазные ЬОультразвуковые колебания, с суммарной амплитудой 45 мкм до момента, когда втулказаймет требуемое положение на валу, Затем усилие сборки снимают и увеличиваютсуммарную амплитуду, причем подачу ультразвуковых колебаний ведут в течение 46с, а значение суммарной амплитуды определяют из соотношения: 1 д 1 б 400,01Кузап ЛдЕ (1 - а )1где 4 макс = 4 вала + ф втулки суммарная амплитуда ультразвуковых колебаний вала и втулки;Иуд - удельная мощность тепловыделения при трении, необходимая для образования мостиков сварки между поверхностями отнесенная к единице поверхности, Вт/мм;2,б - диаметр, по которому происходит запрессовка, мм;К - коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трения в контакте под воздействием ультразвука;узап - коэффициент трения при запрессовке;д - натяг при запрессовке, мм; Е - модуль упругости материала втулкии вала, кгс/мм;- частота ультразвуковых колебаний;а =, ц 2 - наружный диаметр втулки,бо 2мм.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 46 с, Именно такие действия позволяют повысить прочность соединения в осевом направлении и под действием момента на 5070.На фиг,1 приведена схема устройствадля реализации способа и стоячая волна распространения ультразвуковых колебаний в объекте.На схеме выделены следующие позиции: 1 - вал, 2 - втулка, Ь - 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 4На вал и на втулку подают продольныеультразвуковые 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 о, в 3,5,4 раза, чтобы обеспечить процесс пластического деформирования микрообъемов 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(3) 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 24 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 где Р - сила, действующая в контакте;Н- скорость относительного перемещения.Сила Р, возникающая при запрессовке цилиндрического соединения определяется по следующей зависимости Р = узап Л Ро б 1, (2 )где сзап - коэффициент трения; б - диаметр, по которому происходит запрессовка,- длина втулки; Ро - напряжение в контакте вал-втулка,где д - натяг при запрессовке,(1+ б 1 )2 С 1= г -Р 1; бг 5 С 1 )г,и 1;,иг - коэффициенты Пуассона соответственно вала и втулки;Е 1; Е 2 - модули упругости соответственно вала и втулки.При запрессовке деталей из одного материала и отсутствии отверстия в вале зависимость (3) примет вид д Е б 1, где а= - (5)1 +аг б 2б(1+ 1+а )1 - а Тогда (3) выразитсяузапКдЕ 1 - аг2Найдем скорость Нпри подаче ультразвуковых колебаний в зону соединения.Амплитуда ультразвуковых колебанийопределяется из выражения35ф = фмакс3 и ж С (7)где 4 макс - максимальное значение амплитуды колебаний;в - круговая частота ультразвуковыхколебания, су =2 л 1;40 с - времяПроизводная от выражения (7) дает значение скорости(3 Е- =Н = фмакс со сов щс (8)-дсМаксимальное значение скорости перемещения деталей при введении в зону соединения ультразвуковых колебанийопределяется какНмакс = 4 максС 0 = 2 Лмакс (9)Подставляя (6) и (9) в (1), получимМ=1 запЛ 2Е (1 - а ) макс1 (10)Учитывая снижение коэффициента трениямежду деталями, при воздействии на нихультразвуковыми колебаниями в 2,4 раза 55 (4) коэффициентом К = 0,25.0,5 получимМ=К 1 заплгд Е (1 - а ) фа1 (11) Определим среднюю удельную мощность тепловыделения, отнесенную к(14) 30 единице поверхности (площадь контакта Г =Л б 1)К узап лдЕ 1 а макс 1Руд 3 Отсюда амплитуда ультразвуковых колебаний, необходимая для образования мостиков сварки, составит макс , (13) К звп л д Е ( 1 - а )где йуд 1 - необходимая для образования мостиков сварки, удельная мощность тепловыделения, отнесенная к единице поверхности выбирается для различных пар материалов по справочнику, где значения дауд приведены в Вт/мм . Для согласовагния размерностей физических величин в формуле(13) надо ввести коэффициент 0,01. Таким образом, окончательно зависимость (13) выразитсяд) б001 Кузап Л дЕ(1 - а ) 1 В этой формулеИу - в Вт/мм; б - в мм; д - в мм; Е - в кг/мм; 1 - в 1/с; ф - в мм.Произведем расчет для вала из стали 40 Х и втулки из стали 20; б = 20 мм; б 2 = 30 мм, 1 вп = 0,2, К = 0,5; Е = 2 10 кг/мм 2; 1 = =-210 1/сек; д=0,01 мм,,Р я выбранной пары материалов дауд) = =5 Вт/мм щкс "В 204 4 0,0142 мм0,01 0,5, 0,2 0,01 2 10 0,56 2 1 О З,14 Для па 2 оы сталь ШХ 15 - сталь 45 йуд 1 = 15,0 Вт/мм; ф вкс =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 46 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 соединяемых1 35 40 45 50 55 деталей, в частности, сталь 20 - сталь 45, сталь 20 - сталь ШХ 15, сталь 40 Х - сталь 45, сталь 40 Х - сталь 20, сталь ШХ 15 - сталь ШХ 15.Использование предлагаемого способа соединения вал-втулка по сравнению с прототипом позволит повысить прочность соединения в осевом направлении на 5070%, 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, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения прочности соединения и уменьшения энергозатрат при соединении деталей из различных групп материалов, в качестве ультразвуковых колебаний используют продольные синфазные разнонаправленные ультразвуковые колебания вала и втулки с суммарной амплитудой 45 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 Мд) б 0,01Кузаплд Е ( 1 - а )1где макс = вала+ втулки суммарная амплитуда ультразвуковых колебаний вала и втулки, мм;1 чуд - УДельнаЯ моЩность тепловыДеления при трении, необходимая для образования мостиков сварки между поверхностями вала и втулки (выбирается по справочнику (5), Вт/мм;б - диаметр, по которому происходит запрессовка,мм;К - коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трения в контакте под воздействием ультразвука;1 звп - коэффициент трения при запрессовке;д - натяг при запрессовке, мм;Е - модуль упругости материала втулки и вала, кгс/мм 2;1 - частота ультразвуковых колебаний, Гц;а = б/б 2;б 2 - наружный диаметр втулки, мм.1764921 10 Реда кто рректор Н. Милюкова родна агарина,3340НИИП Составитель Б. ШтриковТехред М.Моргентал Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгоро