Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка

(54) СПОСОБ НЕП НИЛ ДЕТАЛЕЙ Т(57) Использование изводство, Сущнос нагревают, устанав руют путем горячей до соотношения тол наружному диамет 7 ил.; 1 табл.: механосборочноть изобретения:ливают на вал, дефпилигримовой прщины стенки втулру, равному более окатныи запротулку ормикатки икее 0,167,н, А.А.Черняванов и Б.Л.Лаопрокатныи о СССР , 1986.ф югвам 00 (л) щины Я ст метру О, р Выбор названного тивным со щей силой процессов при ее.ост отношение 0,167, предела еделен обьек- авнодействуюнних силовых ее прокатке и атки, а это содвисит непос нижнего, равного соотношения оп отношением, т.е, р некоторых внутр в теле втулки при ывании после про в свою очередь з Я о от величины - . бедственн пластичееньшения го удлинед действиударов о ПИСАНИЕ И(56) Авторское свидетельстМ 1433741, кл, В 23 Р 11/О 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 толДВИЖНОГО СОЕДИНЕА ВАЛ-ВТУЛКА ки втулки к ее наружн ному более 0,0167, т.е,Речь идет о процессе горяче ской деформации обжатия (ум толщины стенки и одновременн ния заготовки-раската-втулки) и ем внешних сил механических30 40 45 50 55 последующем процессе деформации температурного сжатия прокатанной втулки приее. естественном на воздухе, охлаждении(после прокатки), т.е. при остывании, и опроисходящем при этом охватном эажатиисхватывании вала втулкой,Характер. течения металла (его пластической деформации) при прокатке таков, чтопри каждом мгновенном ударе двух валковпо заготовке, кроме процесса обжатия (утонения стенок и удлинения заготовки), происходит еще и деформация (изменения. геометрической формы) самого профиля сечения втулки, ее некоторое сплющивание,т.е. овализация. которая в определенноймере снижается (частично компенсируется)при дальнейшем - после прокатки - остывании втулки внутренними силами линейного, сужения-сжатия, противоположными внутренним силам линейного расширения принагреве,Соотношение степени овалиэации припрокатке и степени ее снижения при остыванйи, а также какая окажется преобладающей и "побеждающей" в конечном итоге -все это непосредственно определяется и реЯшается величиной отношения - .бЯПри выборе отношения - больше нижОнего предела (при -0,167), т,е. при толстостенных втулках, степень овализации(при прокатке) не значительна, а степень ееснижения достаточно велика, чтобы перекрыть (компенсировать с избытком) степеньовализации. Таким образом в процессе остывания слабая овализация устраняется (исчезает) полностью, втулка по всей линиизамкнутого контура сопряжения в сеченииплотно прилегает и зажимает своей вйутренней окружностью окружность валка,Происходит это потому, что с одной стороныза счет мощных внутренних упругих сил сопротивления толстостенной втулки внешним силам овалиэации (при прокатке)последняя оказывается незначительной и сдругой стороны за счет более мощных иболее равномерных по контуру сечения(благодаря толстостенности втулки) сил линейного температурного сжатия при остывании втулки, притом слабо овалиэированной,Т.е. при -0,167 в конечном итоге овалиэаБоцию абсолютно побеждает" (устраняет полностью и с запасом-избытком) последующеетемпературное сжатие, при этом обеспечивается плотное прилегание втулки к валу и сильное охватное эажатие его ею по всему замкнутому контуру их сопряжения в сечении, причем, в любом и каждом сечении.5При выборе отношения - меньше ниж- б 5 3него предела(при - (0,167), т,е, при тонкостенных втулках, степень овализации (при прокатке) значительна, а степень ее снижения (при остывании) не достаточна, чтобы 10 перекрыть или хотя бы уравновесить степеньовализации; в процессе остывания более сильная (по сравнению с температурным сжатием) овализация устраняется лишь частично, снижается ее степень, т.е. ее величина (раз ность максимального и минимального диаметров овала), но поледствия овализации как физического явления, а именно овальная форма втулки в поперечном сечении неподвижного соединения деталей типа вал-втул ка сохраняется. Таким образом, втулкаплотно 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 окруж ности вала по мере отдаления остальныхрассматриваемых 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 35. 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 тонкостенностью и нежесткостью профилявтулки) и слабые силы линейного температурного сжатия втулки, притом сильно овалиэированной,Т.е, при - (0,167 в конечном итогеЯбовализация "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 валу с зажатием его ею только все в тех же двух3точках. Но при этом, чем ближе - по велиОчине к 0,167, тем меньше величина сохранившейся овализации, т.е. меньше зазор при отслоении.При выборе отношения - , равнымЯнижнему пределу (при - = 0,167), т.е приЯграничных втулках, степень овализации (при прокатке) и степень ее снижения (при остывании) как бы выравниваются по величине: в процессе остывания силы температурного сжатия преодолевают овализацию устраняют ее, но уравнове шенно - без перекрытия, без избытка - запаса, Это проявляется в том, что максимальный диаметр овала становится равным минимальному (у втулки), их разность исчезает. втулка всем внутренним 15 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 плот ное, а значит неподвижное соединение деталей типа вал-втулка также недостаточно прочное, как и при - ,0,167.ЯТ.е, при - = 0,167 в конечном итоге "небпобеждает" 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. 35Что касается верхнего предела соотно-щения - , то его отсутствие объясняется5бтем, что, чем больше - (большее 0,167), темЯплотнее 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 де талей типа вал-втулка.Сущность изобретения заключается в следующем. Если в известном способе соотношение 50параметров, влияющих на устойчивостьпрофиля 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 долговечностисоединения,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 - толщиныстенки втулки к ее наружному диаметру О, то изобретение такой диапазон устанавливает (для процесса прокатки) в его естественной причинноследственной связи с физическими свойствами и особенностями процесса прокатки и остывания после нее и тем самым достигает сохранения указанной устойчивости без овализации втулки, обеспечивая плотное беззазорное зажатие-охватывание (прилегание) вала втулкой сплошь по всей их контактной поверхности и соответственно прочное сцепление их сопрягающихся слоев со всеми вытекающими отсюда преимуществами.На фиг,1 показано идеальное поперечное сечение неподвижного соединения деталей 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 (гильзы) втулки на полом валу, в свою очередь надетом и жестко закрепленном на дорне; на фиг.5 - стадия охлаждения на воз-, духе много штучной (двухштучной) заготовки соединения с прокатанной на валу охватывающей деталью после снятия с дорна; на фиг.б - стадия развертки двухштучной охлажденной заготовки соединения на две одноштучные заготовки неподвижного соединения деталей типа "вал-втулка"; на фиг.7 - два готовых неподвижных соединения деталей типа вал-втулка.После предварительного нагрева втулки, а именно заготовки (гильзы), до температуры ее горячего пластического деформирования прокатными валками ее устанавливают(надевают) на вал, затем осуществляют на пильгерстане горячую пилигри:овую прокатку первой на втором с уменьшением наружного диаметра и толщины стенки первой и после прокатки их охлаждают в сборе, например в естественной среде - на воздухе, При этом указанную прокатку ведут так, чтобы отношение толщины Я стенки втулки к ее наружному диаметру О после окончания прокатки составляло более 0,167, 1834782Возникающая в процессе горячей пилигримовой прокатки пластическая деформация нагретой втулки и принудительное,силовое вдавливание внутреннего поверхностного слоя пластичной втулки в наружный поверхностный слой холодноготвердого вала интенсифицируют процессползучести поверхностного слоя первой вповерхностный слой второго и приводят кзатеканию 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 ещеплотнее и сильнее сцепляются по всей взаимноконтактной поверхности за счет интенсивного линейного сужения и сжатияостывающей (исходно нагретой) наружной 20(охватывающей) детали (втулки) вокруг исходного холодной и поэтому практически неуменьшающейся в размерах внутренней(охиатываемой) детали (вала),П р и м е р. Неподвикное соединение 25деталей типа вал-втулка производят на пилигримовом стане 5-12 с помощью опытнопромышленного прокатного дорновогоустройства, состоящего из дорна 1, дорнового замка 2, стопорной шайбы 3 и дорнового кольца 4, при этом первые три узлажестко скреплены между собой, а кольцо 4может свободно перемещаться по поверхности полого холодного вала 5, с зазоромнадетого на дорн 1 до упора одним своим 35торцом и поперечной прорезью соответственноо в торец и выступ шайбы 3 и прижатогок последним резьбовым креплением 6 надругом конце дорна,Предлагаемый способ осуществили следующим образом,Нагретую до 11401180 С заготовкувтулки 7 свободно с зазором 57 мм, надели-установили на полый вал 5 до упора ееторцем в дорновое кольцо 4. 45При этом полый вал 5 - иэ ст,20 ГОСТ1050/74, а заготовка (гильза) втулки 7 - иэст, Х 12; Х 15 ГОСТ 5632,72. После установкизаготовки втулки 7 на полый вал 5 с наружным диаметром бь, надетый и закрепленнь 1 й на дорне 1, ее подвергают горячейпилигримовой прокатке с размера 360 мм хБз при длине 3.з до размера 285 мм х 3 придлине 5420 мм (см,фиг,3-5). Фактическиезначения переменных (для каждого способа 55, и для его предела значения - , соответстЯбвенно) величины Оь, ЯЛ.з,Я и - конкретное)Ядля 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 прокатанной втулки 7 с полым валом 5 (см.фиг.5).Для справки и для наглядности преимуществ предлагаемого способа необходимо отметить, что после охлакдения соединения типа вал-втулка, производят разрезку длинной исходной - двойной - заготовки соединения на две части (см,фиг.6), каждая из которых является заготовкой для одного иэделия "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 известном способе с запрессовыванием или с посадкой с изначальным зазором, наоборот, Таким образом, производительность в предлагаемом способе повышается не только эа счет быстроты прокатки (в противовес длительности глубокой расточки, обточки, центровки и других механических операций), но и за счет воэможности 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 О 285 мм на окончательной рабочий диаметр втулки и 270 мм).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 .исловые 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 запрессовывание или даже свободное (с зазором) насаживание втулки в десятки или несколько раз менее производительная операция, чем ее горячая пилигримовая прокатка;1834782 10 Параметры и показатель Пример Изобретение при-)0,1671 200 1 Е 0 100 Е 5 Эо230 ч 0 2620 2500 Толщина стенки прокатаннойвтулки О, мм 42,5 52,5 Фактическая величина отноше 0 ния -0Нет Есть Нот По всему контуру сопрягающихся окружностеи втулки и вала. В двух про тивоположных точках касания соп рягаюцихся контуров втулки и вала Еплащь по всейповерхности соп"ряжения Ио винтовой линии Прочность и несущая способность, характеризуеная5 .1, проворотом 1 срыаок 1 втулки навалу при эксплуатации соеди"нения с перелаваемык технологическим крутящим нонентом 600 кгн, 2 21 10ь 1 Е особо важное значение снижение металлоем кости приобретает при втулке из дорогостоящего материала, например из высоколегированной стали;расширение диапазона технологических возможностей способа эа 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 особотонкостенности) 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;повышение эксплуатационной надежности, долговечности и ресурса работоспособности неподвижного соединения деталей типа вал-втулка.Зэ базовый (сравнительный) обьект принят способ неподвижного соединения деталей типа "вал-втулка" горячей пилигримовой прокаткой втулки на валу без регламентации соотношения - , т.е, при - ( 0,167.Я Ябд Наружный диаметр полого вала0 Ь, ммТолщина стенки заготовки втулкиБа, нм длина заготовки втулки Ьз, нн Овализация втулки на валу после прокатки и охлаждения Иестонахождение плотного приле"ганна втулки к валу в их поперечнон сечении 8 характер плотного прилегания по сопрягайщися поверхностян втулки и вала 5.2. возникновение в деталях, в соединении трещин после ох лаждения,Прочность и несущая способность соединения, изготовленного с соотношением-0,167 выше, чем после изготовления со3б5значением - - 0,167 и - 0167:Я 3ббпри испытании нэ крутящий момент соответственно в 1,5 и в 1,9 раза;по наличию трещин после охлаждения в10 1,3 и в 1,8 рэза.Фо р мул а и зоб рете ни яСпособ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, включа 1 ощий нагреввтулки, установку ее на вал, пластическое15 деформирование втулки, охлаждение соединенных деталей, отлича ющийся тем,что, с целью повышения прочности, несущей способности и долговечности соединения за счет сохранения устойчивости20 проФиля поперечного сечения втулки в процессе пластического деФормирования, пластическое деФормирование осуществляютпутем горячей пилигримовой прокатки, причем прокатку ведут до соотношения толщи 25 ны стенки втулки к ее наружному диаметру,равному более 0,167,2- =0,140У "0,167 .ф,105425, Ч 5 525