Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка

(51)5 В 23 Р 11/02 ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС (ГОСПАТЕНТ ССС ПАТЕН ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ САН СВИДЕТЕЛЬСТ К АВТОРСКОдеталей с на предполагае рвых, предва ю механиче оверхносте акую расточ ее длине), и одной в др оединения остатки: н проточки в й степень ностей, чт с д а юл. М 5ровскийтрубопрокатибкнехтаовский, В,М.Кир.И.Шевченко, Г.А.МаБ,Л.Лапидусвидетельство СССРВ 23 Р 11/02, 1986. Изобретение относится к механосборочным работам и может быть испольэован 1 в металлургии для нужд машиностроенйя и ремонтного производства при создании и восстановлении неподвижных соединений типа вал-втулка (охватываемая и охватываю 1 цая деталй), необходимо эксплуатируемььх в металлургии и машиностроении,Известен способ получения нераэъем- ных прессовых соединений деталей типа вал-втулка, принятый эа прототип, заключающийся в нагреве втулки до ковочной1температуры, установке во втулку вала ипоследующей выдержке соединения до выравнивания температуры соединяемых деталей. При этом для повышения качества и надежности полученных соединений производят нагрев части втулки, ограниченной радйусами, величину угла р между которыми опреДеляют из соотношения 2(54) СПОСОБ НЕПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ВАЛ-ВТУЛКА (57) Использование: механосборочное и ремонтное производство, Сущность изобретения: на поверхности вала обеспечивают шероховатость с высотой неровностей 40160 мкм, нагревают втулку, устанавливают ее на вал, осуществляют пластическое деформирование втулки путем горячей пилигримовой прокатки, охлаждают соединенные детали 5 ил где д - заданная величина натнекии;а - коэффициент линейнония материала втулки,О - . внутренний диаметр втуТ - температура нагрева вапосле установки вала во втул кпластическое деформированидо ликвидации зазора между содеталями.Любой способ соединениятягам (и прототип в том числе)в обязательном порядке, во-перительную многооперационнускую обработку посадочных иобеих деталей (в том числе глубку. втулки при значительнойво-вторых, запрессовываниегую,Любой известный способ снатягом имеет следующие недобходимость предварительнойла и расточки втулки с высокточности сопрягаемых поверпрактически очень сложно и даже невозможно выполнить, особенйо при значительной длине последних, в массовом поточном производстве соединений; при значительной длине сопрягаемых поверхностей возникают трудности"выйблнения их предварительной центровки перед посадкой, перекосы же при посадке приводят к заклиниванию в соединении соединяемых деталей и к последующей полной браковке соединений.Любой известный способ соединения имеет следующие недостатки: низкие прочность и несущую способность соединения .из-за отсутствия. проникновения металла одной детали в металл другой; затекание не происходит, потому что некуда затекать, . ибо нет углублений; поверхностного взаимного проникновения не происходит из-за гладкости шлифованных посадочных поверхностей (а если не шлифовать, то никаким усилием не удастся запрессовывание) и также из-за отсутствия условий, обеспечивающих взаимопроникновение металлов, значительную трудоемкость и низкую производительность по причине: много- минутной и даже многочасовой продолжительности каждой операции механической обработки (например и особенно расточки) посадочной (внутренней) поверхности; множества продолжительных операций механическойобработки и центровки; значительную металлоемкость (неоправданно высокий расход металла) из-за операций механической обработки посадочных поверхностей, при которых много металла переводится в стружку и из-за отбраковки соединений при перекосах и заклиниваниях в процессе центровки.Что касается непосредственно и толькоспособа-прототипа, то перечисленные недостатки значительно усугубляются в нем следующим образом.Механическое и холодное хомутноескрепление-зажатие втулки с валом (хоть оно и с замком нагревательно-пластическидеформационного действия) по своей прочности. и несущей способности тем более слабое, т,к. усилие (указанного действия) в поперечном сечении все равно направлено всего лишь тангенциально - по касательной к окружности вала, взаимовдавливание контактных слоев втулки и вала (взаимопроникновение металла) есть только (если еще оно есть) в одной точке - в центре угла сектора деформации и нет диффузии этих слоев.Нагрев и тангенциальная пластическая . деформация прессования (подгибки-прижатия) только части втулки (без утонения стенки), ограниченной ее сектором с заданной величиной его угла р, не обеспечивают пла 55 лей типа "вал-втулка",Такое влияние шероховатости определяет соответственно эффективное или неэффективное заполнение металлом втулки впадин неровностей наружного слоя вала, вызывающее естественное и соответственстического сцепления деталей и не создаютвзаимопроникновение и диффузию контактных слоев, а обеспечивают всего лишь холодную подгибку (по принципу работы5 хомута) и механическое с натягом, неравномерное по окружности прижатие кольцавтулки к охватываемому ею телу вала; гарантируют овализациюсечения трубы в связи сдеформацией втулки в штампе подгибкой10 по схеме одноосно-однолинейного сжатия(при такой схеме круг практически никакне получится), а, значит, реальное касаниесцепление деталей (под воздействием пластической деформации) обеспечивается не15 более, чем по двум продольным линиям; создают концентраторы напряжения - темпе-,ратурного (индукционно нагревается толькосектор втулки) и механического (пластическидеформируется - прессуется только сектор20 втулки) - особенно на границах обогреваемого и прессуемого сектора с остальной частью втулки, что создает неравномерноесцепление вообще и гарантирует на этих .границах ранние продольные трещины25 втулки, снижение прочности и долговечности как самой втулки, так и соединения.В последних строках формулы способапрототипа сказано: производят пластическое деформи рова ние втулки доЗО ликвидации зазора между соединяемымидеталями", - что означает порождение тех-.цической проблемы слежения за моментомликвидации, необходимость создания специальных технических средств слежения,З 5 снижение производительности способа и,т.д., - и все эти хлопоты ради всего лишьхолодного механического хомутового крепления втулки к валу, т.е, во имя слабогосоединения в основном на чисто механиче 40 ском натяге, к тому же неравномерном поокружности в сечении.В связи с необходимостью изготовления сопрягаемых деталей по посадке Н 8/Ь 8возникает надобность в механической обра 45 ботке сопрягаемых поверхностей со всемивытекающими отсюда последствиями, изложенными и раскритикованными выше, в п.Зраздела критики,Но с другой стороны, далеко не при лю 50 бой исходной шероховатости (контактной свтулкой) посадочной поверхности валаобеспечиваются эффективно достаточныепрочность, несущая способность и долго.вечность неподвижного соединения детано крепкое и долговечное или противопо- Поставленная цель достигается тем, чтоложное по качеству сцепление сопрягаю- в способе неподвижного соединения детащихся слоев втулки и вала лей типа вал-втулка, включающем нагревСцепление же качественно характери- втулки установку ее на вал, пластическоеэуется таким количественным физическим 5 деформирование втулки и охлаждение соекритерием, как фактическая площадь кон- диненных деталей, перед нагревом втулки,тактирования поверхностей (в дальнейшем на поверхности вала обеспечивают шерохоифПКПп) выступови впадин нтулкии вала,а ватость с высотой неровностей, равнойтаКжеоднородностью(чистотой,беззагряз мм, а пластическое деформированяющих инородных включений) металла 10 ние втулки осуществляют путем горячей пи 1втулки, заполнившего впадины неровно- лигримовой прокатки,стей вала.:. - В известном способе и в предлагаемомФБКП определяется следующими фи- изобретении есть еще одинФФ, т.е. ужезическими факторами (в дальнейшем ФФЗ, серьезно влияющйй на реализациюифф"): ФФ 1 объемом заполненной части 15 ФФ 1.ФФЗ - это возможное эагибание верполости каждой из впадин; ФФ 2 содержа- шин,неровностей вала усилием йластиченим в этом обьеме (в металле втулки во ской деформации, пластическим течениемвпадинах вала) загрязняющих инородных деформируемого металла и лйнейным сжавключений - обломков и осколков срезан- . тием последнего при остывайии после проных вершин неровностей вала. 20 .катки..бОднородность (или неоднородность) Это загибание вызывает полное или чаметалла втулки (во впадинах вала) опреде- стичное перекрытие течению металл втулляется известным фактором. ки навходе в полость впадин вала, которое,Естественно, что, чем больше по вели- всвоюочередь, приводитктакому(полномучине фф 1;тембольше ФПКП, крепче идол илй частичному) неэаполнению названныхговечнее сцепление сопрягающихся слоев полостей, к резкому уменьшению объема.втулдки и вала и выше прочность и несущая . металла втулки во впадинах в йоследнйх и кспбсобность неподвижного соединения де . аначитепьномусокрвгденикт ФПКП со всемиталей, и наоборот,. отрицательными, притом усугубленнь 1 миЕстественно также, что, чем больше по 30 последствиями минимального ФФ 1 для сонеличине ФФ 2, тем меньше ФПКП, больше . единения,,неЬднородность, слабее взаимно скрепляю-Сущность изобретейия, характеризуемаящая способность контактной зоны сопряга- причинно-следственной связью его отличи-юиихся слоев втулки и вала, слабее их тельных признаков с целью, заключается в, .сцдплейие и ниже прочность и несущая спо-. 35 следующем.собность неподвижного соединения вала и . Если в известном сйотсобе параметрывтулки..исходной шероховатости посадочной (дляКоренной недостаток известного спосо- втулки) поверхности вала находятся вне поба в том, что этот способ не устанавливает ля зрения и учета (что приводит к большимтой конкретной шероховатости, при кото потерям металла, энергии и труда на произрой ФФ 1 и ФФ 2 оптимальным образом нодствомалопрочных, недолговечныхинеобеспечивали бы прочность и несущую спо- надежных соединейий вала и втулки), т.к.собность неподвижного соединения вала иизвестный способ не устанавливает(для гантул ки. рантированной прочности и долговечностиВ целом известный способ имеет сле соединений) конкретного оптимальногодукщие недостатки: низкие прочность и . диапазонаэтихпараметров(й),топредланесущую способность неподвижного сое- гаемое изобретение такой диапазон устадинения; низкую эксплуатационную надеж- нанливает (для процесса прокатки) н егоность, недолговечность и малый ресурс естественной причинно-следственнойработоспособностисоединения; значитель связи с физическими свойствами и осоное неэффективное расходование металла, бенностями процесса заполнения впадинэнергии и трудозатрат из-за их же повышен- поверхности вала пластически текущим меных потерь, неизбежных при изготовлении таллом втулки при ее прокатке и остынаниинепрочных, ненадекных и недолговечных на валу. При этом первооснова причиннонеподвижных соединений вала и втулки. 55 следственной связи параметров ЯЦелью изобретения является повыше- =40160 мм с целью изобретения - это рение прочности, несущей способности и дол- жим наибольшего благоприятствования. говечности соединения за счет заполнения всем трем фф.металлом втулки впадин неровностей на- Ка фиг, 1 показана схема осуществлеружной поверхности вала, ния способа, исходное положение; на фиг, 2- стадия осуществления и окончания горя- П р и м е р. Неподвижное соединениечей прокатки заготовки (гильзы) втулки на деталей типа вал-втулка производят на пиполом валу, в свою очередь, надетом и жес- лигримовом стане 5-12 с помощью опытно. тко закрепленном на дорне; на фиг. 3 - ста- промышленного прокатного дорновогодия охлаждения на воздухе многоштучной 5 устройства, состоящего иэ дорна 1, дорно(двухщтучной) заготовки соединения с про- ваго замка 2, стопорной шайбы 3 и дорновокатанкой на валу охватывающей деталью го кольца 4, при этом первые три узлапосле снятия с дерна; на фиг, 4 - стадия . жестко скреплены между собой, а кольцо 4разрезки двухштучной охлажденной заго-свободно может перемещаться по поверхтовки соединения на две одноштучныезаго ности полого холодного вала 5, с зазоромтовки неподвижных соединений типа надетого на дорн 1 до упора одним своимвал-втулка; на фиг. 5 (для справки) - два торцоми поперечной прорезью соответстготовых неподвижных соединения типа вал- венно в торец и вйступ шайбы 3 и прижатоговтулка;: :,- к последним резьбовым креплением 6 наСущность предлагаемого способа со другом концедорна.стоит в том, что после предварительного Предлагаемый способ осуществляли- 40.160.мкм) ко кретной с втулкой, посв-Нагретую до температуры 11401180 Сдочной поверхностивала, после нагрева: заготовку втулки 7 свободно, с зазором 57 ммвтулки, точнее говоря, ее заготовки (гил ьзы), 20 надели-установили на полый вал 5 до упора еедо температуры ее горячего пластического торцом в дорнового кольцо 4, При этом подеформирования прокатными валками ее лый вал 5 из ст,20 ГОСТ 1050-74 - катаннаяустанавливают(надевают) на вал, затем осу- . труба с исходной (без специальной механиществляютнапильгерстане горячую пилиг- ческой обработки) шероховатостью В- римовую прокатку первой на втором с 25 =120125 мкм,а заготовка(гильза) втулки 7, уменьшениемнаружного диаметра и толщи- . - из ст. Х 12; Х 15 ГОСТ 5632-72. После устаны стенки первой и после прокатки их ох- новки заготовки втулки 7 на полый вал 5 слаждаютвсборе,например,в.естественной: наружным диаметром 200 мм, надетый исреде - на воздухе. : , : закрепленный на дорне 1, ее подвергают. Возникающая в процессе горячей йи горячей пилигримовой прокатке с размералигримовой прокатки пластическая дефор-360 мм х 80 мм при длине 2500 мм до разме-.мация нагретой втулки и принудительное, ра 285 х 42,5 мм при длине 5420 ммсиловое вдавливание вйутреннего повер- . (см,фиг.1-3),хйостного слоя йластичной втулки в на- Окончив прокатку, отсоединяют дорн 1.ружный поверхностный слой холодного .35 отдорнового замка 2 и стопорной шайбы 3,твердого вала интенсифицируют процесс, после чего с дорна 1 снимают и потом охползучести поверхностного слоя первой в лаждают на воздухе соединение прокатанповерхностный слой второго и приводят к ной втулки 7 с полым валом 5 (см,фиг,З).затеканию металла втулки в микроскопиче- Для справки и для наглядности преимуские по величине естественные углубления, 40 ществ способа необходимо отметить, что. имеющиеся на шероховатой поверхности после охлаждения соединения типа валвала. Вал - это катанная труба (без специ- втулка производят разрезку длинной исходальной механической обработки) с исход- ной - двойной - заготовки соединения наной шероховатостью В = 120,.;125 мкм), две части (см,фиг.4), каждая иэ которых явПослеокончания прокатки в естествен ляется заготовкой для одного изделия валноохлаждающемсясоедийениядеталиеще втулка, а после этого выполняют всеплотйее и сильнее сцепляются за счет ин- необходимые окончательные операции метенсивного линейного сужения и сжатия ос- ханической (наружной) обработки (обточки)тывающей (исходно нагретой) наружной . каждой штучной заготовки соединения иОД (охватывающей детали) вокруг исход получают два, готовых к эксплуатации, соено холодной и поэтому практически не динения(см,фиг.5).уменьшающейся в размерах внутренней В этом контексте в предлагаемом спо(охватываемой)детали(вала) собе экономически и технически (выше иВ процессе прокатки и затем остывания,проще достигается точность центровкивтулки (благодаря обеспечению исходной 55 втулки и вала) целесообразно изготовлениешероховатости посадочной поверхности ва- (с прокаткой) длинной, многомеровой и мнола в пределах Вт = 40160 мкм происходит гоштучной заготовки соединения, а в иэвеоптимальное заполнение металлом втулки стном способе с запрессованием или свпадин естественных неровностей наруж- посадкой с изначальным зазором, наобоного слоя вала, рот, Таким образом, производительность в1792818 9 10предлагаемом способе повышается не толь- виды механической обработки и их совместко за счет быстроты прокатки (в противовес ную центровку перед сборкой), затем нагрев длительности глубокой расточки, обточки, втулки до 400 С, потом сборку-установку центровки и других механических опера- втулки на вал с зазором и, наконец, охлажций), но и за счет возможности прокатки 5 дение соединения с образованием натяга в ьногоштучного цельного соединения результате его. (втулки на валу) с одних общих операций Ожидаемый годовой зкономический эфнагрева, установки, снятия с дорна, ох- фект от внедрения предлагаемого способа л ждения и даже дальнейшей общей об- составляет 489,576 тыс.руб, и достигнут за т чки втулки снаружи (в примере с 10 счет экономии металла благодаря устране- птслепрокатного Я 285 мк на окончатель- нию его потерь на стружку и в ревультете н й рабочийдиаметр втулки и 270 мм), . отбраковки после операций глубокой рас. По сравнению с любым известным спо- точки и центровки, а также благодаря снисобом прессового соединения (с натягом жению потерь металла путем повышения иЛи с зазором при посадке), предлагаемый 15. прочности, несущей способности и долго- способ соединения горячей прокаткой втул- вечности соединений.1 ки на валу имеет следующие преимущест- Кроме того, производительность спосов .повышение. прочности и несущей ба повысилась в 500 раз, что при расчете с, особности соединения; снижение трудо-, экономического эффектапока не учтено. энерго- и металлоемкости способа и повы Сравнение двух способов неподвижно шение его производительности, т.к. исчезла го соединения деталей типа вал-втулка - без надобность в предварительной механиче- обеспечения и с обеспечением регламентис ой обработке втулки и вала (в глубокой руемой изобретением шероховатости посар сточке втулки, например), в центровке дочной поверхности. вала в пределах В в улки и вала, в запрессовывании, тем бо =40160 мкм показало,чтововторомслучае лее, что запрессовывание или даже свобод- (с обеспечением) прочность и несущая спон е (с зазором) насаживание втулки в сообность соединения выше, чем в первом д сятки или несколько раз менее произво-(без обеспечения): при испытании на крутядительная операция, чем ее горячая пилиг-, щий момент соответственно в 1,832,0 раримовая прокатка; особо важное значение 30 за; по наличию трещин после охлаждения - с 1 ижецие металлоемкости приобретает. в 1,25.2,25 раза. при втулке из дорогостоящего материала,Если эа базовый (сравнительный) обьем нАпример, из высоколегировацной стали; принять "Способ неподвижного соединения р 1 сйирение диапазона технологинеских деталей типа вал"втулка, осуществляемый возможностей способа - за счет сочетания 35 горячей пилигримовой прокаткой втулки на тейхнологичности и высокой несущей спо- валу без обеспечения его посадочной пособности - прочности соединения с незаме- верхности шероховатостью в пределах й = нИмостью способа - при необходимости =40160 мм, то, по сравнению с ним, внед-. надежно неподвижного соединения или рениепредлагаемотгойзобретенияпозволядл 1 инномерного. или крупнодиаметрально ет достигнуть ожидаемый годовой го, или при тонкостенности (и особотоцко- экономический эффект в сумме 262,805 стенности) втулки, или высоком пределе тыс.руб. благодаря снижению потерь метал- прочности (и низком пределе текучести) ее ла, энергии и труда при изготовлении не- материала, или при дороговизне последне- прочных, ненадежных и недолговечных го, илипривсехэтихфакторах,частичноили 45 соединений путем повышения их прочно- полностью вместе взятых. сти, несущей способности и долговечностиЗа базовый, а точнее, за сравнительный посредством регламентации шероховатообъект принят известный способ неподвиж- сти поверхности вала такими величинами ее ного соединения деталей типа овал-втулка", впадин и выступов, при которых пластичный включающий подготовку их контактных по металл втулки при прокатке наилучшим обверхностей (обточку длинного вала, глубо- разом заполняет впадины неровностей ва-кую расточку втулки, шлифование, другие ла,Формула изобретенийСпособ нейодвижного соединения деталей типа вал-втулка, включающий нагрев втулки, установку ее на вал, пластическое деформирование втулки, охлаждение соединенныхдеталей,отл ича ющийсятем, что, с целью повышения прочности, несущей способности и долговечности соединения за счет заполнения металлом втулки впадин неровностей наружной поверхности вала, перед нагревом втулки на поверхности вала обеспечивают шероховатость с высотой неровностей 40-160 мкм, а, пластическое деформирование втулки осуществляют путем горячей пйлигримовой прокатки;1792818 Составитель А. СушкинРедактор С. Кулакова Техред М; Моргентал орректор М. Король акциз Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытия113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 и ГКНТ С ИПИ Государ роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101