Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка

 

Использование: механосборочное и ремонтное производство. Сущность изобретения: на поверхности вала обеспечивают шероховатость с высотой неровностей 40...160 мкм, нагревают втулку, устанавливают ее на вал, осуществляют пластическое деформирование втулки путем горячей пилигримовой прокатки, охлаждают соединенные детали. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 23 Р 11/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

{ГОСПАТЕНТ СССР)

1;.—

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4935839/27 (22) 12.05.91 (46) 07.02.93; Бюл. N. 5 (71) Нижнеднепровский трубопрокатный завод им. Карла Либкнехта (72) А.И.Козловский, В,М.Кирсанов, В.H.Ñëèâêèí. А.И.Шевченко, Г.А.Махотин, С.A,Крисанов и Б,Л.Лапидус (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1433741, кл. В 23 P 11/02, 1986.

I!

Изобретение относится к механосборочным работам и может быть испольэован1 в металлургии для нужд машиностроенйя и ремонтного производства при создании и восстановлении неподвижных соединений типа вал-втулка (охватываемая и охватыва-! ющая деталй), необходимо эксплуатируем ь х в металлургии и машиностроении.

Известен способ получения нераэъем -ных прессовых соединений деталей типа вал-втулка, принятый эа прототип, заключающийся в нагреве втулки до ковочной

1 температуры, установке во втулку вала и п4следующей выдержке соединения до выравнивания температуры соединяемых деталей. При этом для повышения качества и надежности полученных соединений произвддят нагрев части втулки, ограниченной радйусами, величину угла р между которыми опреДеляют из соотношения !

=Op 360 д

aDT ,,!Ж,„, 1792818 А1

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

40...160 мкм, нагревают втулку, устанавливают ее на вал, осуществляют пластическое деформирование втулки путем горячей пил игримовой прокатки, охлаждают соединенные детали. 5 ил. где д — заданная величина натяга в соединении; а — коэффициент линейного расширения материала втулки;

D —. внутренний диаметр втулки;

Т вЂ” температура нагрева втулки, апосле установки вала во втулку производят пластическое деформирование последней до ликвидации зазора между соединяемыми деталями.

Любой способ соединения деталей с натягом (и прототип в том числе) предполагает в обязательном порядке, во-первых, предварительную многооперационную механическую обработку посадочных поверхностей обеих деталей (в том числе глубокую расточку. втулки при значительной ее длине), и, во-вторых, запрессовывание одной в другую.

Любой известный способ соединения с натягом имеет следующие недостатки: необходимость предварительной проточки вала и расточки втулки с высокой степенью точности сопрягаемых поверхностей, что

1792818 практически очень сложно и даже невозможно выполнить, особенйо при значительной длине последних, в массовом поточном производстве соединений; при значительной длине сопрягаемых поверхностей возникают тфуднобти"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: многоминутной и даже многочасовой продолжительности каждой операции механической обработки (например и особенно расточки) посадочной (внутренней) поверхности; множества продолжительных операций механической обработки и центровки; значительную металлоемкость {неоправданно высокий расход металла) из-за операций механической обработки посадочных поверхностей, при которых много металла переводится s стружку и из-за отбраковки соединений при перекосах и заклиниваниях в процессе центровки.

Что касается непосредственно и только способа-прототипа, то перечисленные недостатки значительно усугубляются в нем следующим образом.

Механическое и холодное хомутное скрепление-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 пла55 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 создают взаимопроникновение и диффузию контактных слоев, а обеспечивают всего лишь холодную подгибку (по принципу работы

5 хомута) и механическое с натягом, неравномерное по окружности прижатие кольца втулки к охватываемому ею телу вала; гарантируют овализацию сечения трубы в связи с деформацией втулки в штампе подгибкой

"О по схеме одноосно-однолинейного сжатия (при такой схеме круг практически никак не получится), а, значит, реальное касаниесцепление деталей (под воздействием пластической деформации) обеспечивается не

15 более, чем по двум продольным линиям; создают концентраторы напряжения — темпе-. ратурного (индукционно нагревается только сектор втулки) и механического (пластически деформируется — прессуется только сектор

20 втулки) — особенно на границах обогреваемого и прессуемого сектора с остальной частью втулки, что создает неравномерное сцепление вообще и гарантирует на этих . границах ранние продольные трещины

25 втулки, снижение прочности и долговечности как самой втулки, так и соединения.

В последних строках формулы способапрототипа сказано: производят пластическое деформирование втулки до

3О ликвидации зазора между соединяемыми деталями", — что означает порождение тех-. цической проблемы слежения за моментом ликвидации, необходимость создания специальных технических средств слежения, 35 снижение производительности способа и ,т.д., — и все эти хлопоты ради всего лишь холодного механического хомутового крепления втулки к валу, т.е. во имя слабого соединения в основном на чисто механиче40 ском натяге, к тому же неравномерном по окружности в сечении.

B связи с необходимостью изготовления сопрягаемых деталей по посадке H8/h8 возникает надобность в механической обра45 ботке сопрягаемых поверхностей со всеми вытекающими отсюда последствиями, изложенными и раскритикованными выше, в п.3 раздела критики.

Но с другой стороны, далеко не при лю50 бой исходной шероховатости (контактной с втулкой) посадочной поверхности вала обеспечиваются эффективно достаточные прочность, несущая способность и долго.вечность неподвижного соединения дета1792818 но крепкое и долговечное или противоположное по качеству сцепление сопрягающихся слоев втулки и вала.

Сцепление же качественно характеризуется таким количественным физическим критерием, как фактическая площадь контактирования поверхностей (в дальнейшем иФПКПп) выступов и впадин втулки и вала, а таКже однородностью (чистотой, без загрязняющих инородных включений) металла втулки, заполнившего впадины неровносте и вала. . 1

ФЙКП определяется следующими физическими факторами (в дальнейшем

1 и Ф Ф"): Ф Ф1 объемом заполненной части полости каждой из впадин; ФФ2 содержани м в этом обьеме (o металле втулки во

ottéäèt-toõ вала) загрязняющих инородных включений — обломков и осколков срезанt-tbtk вершин неровностей вала.

-.б

Однородность (или неоднородность) металла втулки (во впадинах вала) определяется известным фактором. б

Естественно, что, чем больше по величине ФФ1; тем больше ФПКП, крепче и долговечнее сцепление сопрягающихся слоев вту лдки и вала и выше прочность и несущая способность неподвижного соединения деталей, и наоборот.

Естественно также, что, чем больше по величине ФФ2, тем меньше ФПКП, больше ,неоднородность, слабее взаимно скрепляющая способность контактной зоны сопряга.. юш ихся слоев втулки и вала, слабее их сцдплейие и ниже прочность и несущая crioсобность неподвижного соединения вала и втулки.

Коренной недостаток известного способа в том, что этот способ не устанавливает

„! той конкретной шероховатости, при которой ФФ1 и ФФ2 оптил1альным образом обеспечивали бы прочность и несущую способность неподвижного соединения вала и втулки.

В целом известный способ имеет следук>щие недостатки: низкие прочность и несущую способность неподвижного соединения; низкую эксплуатационную надежность, недолговечность и малый ресурс работоспособности соединения;значительt. ное неэффективное расходование металла, энергии и трудозатрат из-за их же повышенных потерь, неизбежных при изготовлении непрочных, ненаде>кных и недолговечных неподвижных соединений вала и втулки.

Целью изобретения является повышение прочности, несущей способности и долговечности соединения за счет заполнения металлом втулки впадин неровностей наружной поверхности вала, Поставленная цель достигается тем, что в способе неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, включающем нагрев втулки установку ее на вал, пластическое

5 деформирование втулки и охлаждение соединенных деталей, перед нагревом втулки, на поверхности вала обеспечивают шероховатость с высотой неровностей, равной

40... l60 мм, а пластическое деформирова10 ние втулки осуществляют путем горячей пилигримовой прокатки.

В известном способе и в предлагаемом изобретении есть еще один ФФ, т.е. уже

ФФЗ, серьезно влияющйй на реализацию

15 ФФ1.ФФЗ вЂ” это возможное эагибание верполостей, к резкому уменьшейию объема. металла втулки во впадинах в последних и к значительному сокращению ФПКП со всеми отрицательными, притом усугубленными

30 последствиями минимального ФФ1 для соединения.

Сущность изобретейия, характеризуемая причинно-следственной связью его отличительных признаков с целью, заключается в

35 следующем Если в известнол! сйоьсобе параметры исходной шероховатости посадочной (для втулки) поверхности вала находятся вне поля зрения и учета (что приводит к большим

40. потерям металла, энергии и труда на производство малопрочных, недолговечных и ненадежных соединейий вала и втулки), т.к. известный способ t to устанавливает (для гарантированной прочности и долговечности соединений) конкретного оптимального диапазона этих параметров (й ), то предлагаемое изобретение такой диапазон устанавливает (для процесса прокатки) в его естественной причинно-следственной

50 связи с физическими свойствами и особенностями процесса заполнения впадин поверхности вала пластически текущим металлом втулки при ее прокатке и остывании на валу. При этом первооснова причинноследственной связи параметров В

=40...160 мм с целью изобретения — это режим наибольшего благоприятствования всем трем ФФ.

Ка фиг. 1 показана схема осуществления способа, исходное положение; на фиг, 2

55 шин. неровностей вала усилием йластической деформации. пластическим течением деформируемого металла и лйнейным сжатием последнего при остывайии после про20 .катки.

Это загибание вызывает полное или частичное перекрытие течению металл втулки на входе в полость впадин вала, которое, в свою очередь, приводит к такому(полному

25 илй частичному) неэаполнению названных

1792818 8 ваго замка 2, стопорной шайбы 3 и дорнового кольца 4, при этом первые три узла (двухщтучной) заготовки соединения с прокатанкой на валу охватывающей деталью после снятия с дерна; на фиг. 4 — стадия разрезки двухштучной охлажденной загожестко скреплены между собой, а кольцо 4 свободно может перемещаться по поверхности полого холодного вала 5, с зазором товки соединения на две одноштучные загонадетого на дорн 1 до упора одним своим товки неподвижных соединений типа вал-втулка; на фиг. 5 (для справки) — два готовых неподвижных соединения типа вал втулка. торцом и поперечной прорезью соответственно в торец и вйступ шайбы 3 и прижатого к последним резьбовым креплением 6 на

Сущность предлагаемого способа со- 15 другом конце дорна стоит в том, что после предварительного - Предлагаемый способ осуществляли обеспечения шероховатости (в пределах Rz= следующим образом.

- 40.„160.ìêì) ко! «кретной с втулкой, посв- - ... Нагретую до температуры 1140...11800С заготовку втулки 7 свободно, с зазором 5...7 MM дочной поверхности вала, после нагрева втулки, точнее говоря, ее заготовки (гильзы), 20 надели-установили на полый вал 5 до упора ее торцом в дорнового кольцо 4. При этом подо температуры ее горячего пластического деформирования прокатными валками ее лый вал 5 из ст.20 ГОСТ 1050-74 — катанная устанавливают(надевают) на вал, затем осу- . труба с исходной (без специальной механиществляют на пильгерстане горячую пилиг- ческой обработки). шероховатостью Rz -.

=120...125 мкм, а заготовка (гильза) втулки 7

25 римовую прокатку первой на втором с уменьшением наружного диаметра и толщи- — из ст. Х12; Х15 ГОСТ 5632-72. После уста ны стенки первой и после прокатки их ох- новки заготовки втулки 7 на полый вал 5 с наружным диаметром 200 мм, надетый и закрепленный на дорне 1, ее подвергают лаждают в сборе, например, в.естественной среде - на воздухе.. Возникающая в процессе горячей йи- 30 горячей пилигримовой прокатке с размера лигримовой прокатки пластическая дефор- 360 мм х 80 мм при длине 2500 мм до разме-. ра 285 х 42,5 мм при длине 5420 мм мация нагретой втулки и принудительное, силовое вдавливание внутреннего 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,,после чего с дорна 1 снимают и потом охтвердого вала интенсифицируют процесс ползучести поверхностного слоя первой в лаждают на воздухе соединение прокатан. поверхностный слой второго и приводят к ной втулки 7 с полым валом 5 (см,фиг,3). затеканию металла втулки в микроскопиче-. Для справки и для наглядности преиму40 ские по величине естественные углубления, ществ способа необходимо отметить, что имеющиеся на шероховатой поверхности после охлаждения соединения типа валвала. Вал — это катанная труба (без специальной механической обработки) с исходной шероховатостью Rz = 120,.;125 мкм), втулка производят разрезку длинной исходной — двойной — заготовки соединения на две части (см.фиг.4), каждая иэ которых явПосле окончания прокатки в естественляется заготовкой для одного изделия вал50 динения (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, многомеровой и мновтулки (благодаря обеспечению исходной шероховатости посадочной поверхности ва55 ла в пределах Rz = 40...160 мкм происходит оптимальное заполнение металлом втулки впадин естественных неровностей наружного слоя вала. гоштучной заготовки соединения, а в известном способе с запрессованием или с посадкой с изначальным зазором, наоборот. Таким образом, производительность в — стадия осуществления и окончания горячей прокатки заготовки (гильзы) втулки на полом валу, в свою очередь, надетом и жестко закрепленном на дорне; на фиг. 3 — стадия охлаждения на воздухе многоштучной но охлаждающемся соединения детали еще плотйее и сильнее сцепляются за счет интенсивного линейного сужения и сжатия остывающей (исходно нагретой) наружной

- ОД (охватывающей детали) вокруг исходно холодной и поэтому практически не уменьшающейся в размерах внутренней (охватываемой) детали (вала).

В процессе прокатки и затем остывания

Пример. Неподвижное соединение деталей типа вал-втулка производят на пилигримовом стане 5-12 с помощью опытнопромышленного прокатного дорнового устройства, состоящего иэ дорна 1. дорновтулка, а после этого выполняют все необходимые окончательные операции механической (наружной) обработки (обточки) каждой штучной заготовки соединения и получают два, готовых к эксплуатации, сое1792818

9 10 ! предлагаемом 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 ь ногоштучного цельного соединения результате его. (втулки на валу) с одних общих операций Ожидаемый годовой зкономический эфI нагрева, 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 устранеп тслепрокатногоЯ 285 мк на окончатель- нию его потерь на стружку и в ревультете н и рабочийдиаметр втулки Я 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 ирис зазором при посадке), предлагаемый 15. прочности, несущей способности и долгоспособ 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 эффекта пока не учтено. энерго- и металлоемкости способа и повы- 20 Сравнение двух способов неподвижноI 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 Rz в улки и вала, в запрессовывании, тем бо- 25 =40...160мкм 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 83...2,0 раримовая прокатка; особо важное значение 30 за; по наличию трещин после охлаждения— с 1ижение металлоемкости приобретает. в 1,25..т2,25 раза. при втулке из дорогостоящего материала, Если эа базовый (сравнительный) обьем например, из высоколегированной стали; принять "Способ неподвижного соединения расширение диапазона технологинеских деталей типа вал" втулка, осуществляемый воэможностей 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 Rz = нИмостью способа — при необходимости =40...160 мм, то, по сравнению с ним, внед- . надежно неподвижного соединения или рениепредлагаемотгойзобретения позволядл1инномерного. или крупнодиаметрально- 40 ет достигнуть ожидаемый годовой го, или при тонкостенности (и особотонко- экономический эффект в сумме 262,805 стенности) втулки, или высоком пределе тыс.руб. благодаря снижению потерь металпрочности (и низком пределе текучести) ее ла, энергии и труда при изготовлении нематериала, или при дороговизне последнув- прочных, ненадежных и недолгов чных го, илипривсехэтихфакторах,частичноили 45 соединений путем повышения их прочнополностью вместе взятых. сти, несущей способности и долговечности

За базовый, а точнее, за сравнительный посредством регламентации шероховатообъект принят известный способ неподвиж- сти поверхности вала такими величинами ее ного соединения деталей типа ивал-втулка", впадин и выступов, при которых пластичный включающий подготовку их контактных по- 50 металл втулки при прокатке наилучшим обверхностей (обточку длинного вала, глубо- разом заполняет впадины неровностей ва- кую расточку втулки, шлифование, другие ла, 11

1792818

Формула изобретейия

Способ нейодвижного 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 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. Сушкин

Редактор С. Кулакова Техред М; Моргентал Корректор H. Король

Заказ 474 Тираж Подписное

PHMMflM Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101