Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з В 23 P 11/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ, ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ, Ю ) 0,167, S (21) 4945301/27 (22) 17.06.91 (46) 15,08.93. Бюл. М 30 (71) Нижнеднепровский трубопрокатный за. вод им. Карла Либкнехта (72) Г.E.Ïàõoìîâ, В.Н.Сливкин, А.А.Чернявский. А,Ф.Крисанов, С.А.Крисанов и Б.Л.Лапидус (73) Нижнеднепровский трубопрокатный завод им. Карла Либкнехта (56) Авторское свидетельство СССР

N 1433741, кл, В 23 P 11/02, 1986.

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 тол„„ЯЦ „„1 834782 А3 (54) СПОСОБ НЕПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ВАЛ-ВТУЛКА (57) 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.

Ф щины S стенки втулки к ее наружному диаметру D, равному более 0,0167, т.е.

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 непосS редственно от величины — .

cl

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

1834782 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 эажатиисхватывании вала втулкой, Характер. течения металла (его пластической деформации) при прокатке таков,

rto заготовке, кроме процесса обжатия (утонения стенок и удлинения заготовки), происходит еще и деформация (изменения . геометрической формы) самого профиля се. чения 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 овалиэации при прокатке и степени ее снижения при остыванйи, а также какая окажется преобладающей и "побеждающей" в конечном итоге— все это непосредственно определяется и реS шается величиной отношения — .

cl

При выборе отношения — больше нижd него предела (при — > 0,167), т,е. при толстостенных втулках, степень овализации (при прокатке) не значительна, а степень ее снижения достаточно велика, чтобы перекрыть (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 вйутренней окружностью окружность валка.

Происходит это потому, что с одной стороны за счет мощных внутренних упругих сил сопротивления толстостенной втулки внешним силам овалиэации (при прокатке) последняя оказывается незначительной и с другой стороны за счет более мощных и более равномерных по контуру сечения (благодаря толстостенности втулки) сил линейного температурного сжатия при остывании втулки, притом слабо овалиэированной.

T.е. при — > 0,167 в конечном итоге овалиэаS б цию абсолютно побеждает" (устраняет полностью и с запасом-избытком) последующее температурное 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.

При выборе отношения — меньше нижо

30 ное, 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

40 тонкостенностью и нежесткостью профиля втулки) и слабые силы линейного температурного сжатия втулки, притом сильно овалиэированной.

Т.е. при — < 0.167 в конечном итоге

S о 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 валу с зажатием его ею только все в тех же двух

S точках. Но при этом, чем ближе — по велид чине к 0,167, тем меньше величина сохранившейся овализации, т.е. меньше зазор при отслоении.

5 S него предела (при — (0,167), т.е, при тонкостенных втулках, степень овализации (при прокатке) значительна, а степень ее снижения (при остывании) не достаточна, чтобы

"0 перекрыть или хотя бы уравновесить степень овализации; в процессе остывания более сильная (по сравнению с температурным сжатием) овализация устраняется лишь частично, снижается ее степень, т.е. ее величина (раз15 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-втул20 ка 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 окруж25 ности 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 пол1834782

При выборе отношения — „, равным

S нижнему пределу (при — =0 167), т.е при

S граничных втулках, степень овализации (при прокатке) и степень ее снижения (при остывании) как бы выравниваются по величине: в процессе остывания силы температурного сжатия преодолевают овализэцию устраняют ее, но ураонове- 10 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- 20 ное, а значит неподвижное соединение деталей типа вал-втулка также недостаточно прочное, как и при — (0,167.

Т.е, при — = 0,167 в конечном итоге "не о 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. 35

Что касается верхнего предела соотнощения — ° то его отсутствие объясняется

S о тем, что, чем больше — (большее 0.167), тем „

S 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 де- 45 талей типа вал-втулка.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Если в известном способе соотношение 50 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 долговечностисоединения,а значит к неоправдывающим себя значительным потерям металла, энергии и труда на производство ненадежных, недолговечных неподви>кных соединений вала и втулки), т.к. известный способ не устанавливает (для гарантированной прочнос1и и долгооо.чности соединений) конкретного оптимального диапазона величин соотношения этих параметров — толщины S стенки втулки к ее наружному диаметру 0, 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; нэ фиг.2 — реальное поперечноесечение того же соединения горячей пилигримовой прокаткой при отсутствии регламентации условий сохранения устойчивости профиля поперечного сечения втулки; на фиг,З вЂ” 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 многаштучной (двухштучной) заготовки соединения с прокэтанной 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-отулка"; на фиг.7 — два готовых неподвижных соединения деталей типа вал-втулка.

После предварительного нагрева втулки, а именно заготовки (гильэы), 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 S стенки втулки к ее наружному диаметру О после окончания прокатки составляло более 0,167, 1834782

Возникающая о процессе горячей пилигримооай прокатки пластическая деформация нагретой втулки и принудительное, силовое вдавливание внутреннего поверхностного слоя пластичной втулки в наруж- 5 ный поверхностный слой холодного твердого вала интенсифицируют процесс ползучести поверхностного слоя первой в поверхностный слой оторога и приводят к затеканию металла втулки в микроскопиче- 10 ские по величине естественные углубления, . имеющиеся на неровной и негладкой необ. работанной или грубо обработанной поверхности ахватываемой детали --вала.

После окончания прокатки и естествен- 15 но охлаждающемся соединении детали еще плотнее и сильнее сцепляются по всей взаимнокантактнай поверхности за счет интенсивного линейного сужения и сжатия остывающей (исходно нагретой) наружной 20 (ахватывающей) детали (втулки) вокруг исходного холодной и поэтому практически не уменьшающейся в размерах внутренней (охв атыоаемай) детали (вала), Пример. Неподви>кное соединение 25 деталей типа оал-втулка производят на пилигримовом стане 5-12 с помощью опытнопрамышленного прокатного дарнавого устройства, состоящего из дорна 1, дарнового замка 2, стопорнай шайбы 3 и дарнаоо- 30 га кольца 4, при этом первые три узла жестко скреплены между собой, а кольцо 4 мажет свободно перемещаться по поверхности полого холаднаго вала 5. с зазором надетого на дорн 1 до упора одним своим 35 торцом и поперечной прарезыа соответственноо в торец и выступ шайбы 3 и прижатого к последним резьбавым креплением 6 на другом конце да рн а.

Предлагаемый способ осуществили сле- 40 дующим 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 о дарнаоае кольцо 4. 45

При этом полый вал 5 — иэ ст,20 ГОСТ

1050/74, а заготовка (гильза) втулки 7 — иэ ст. Х12; Х15 ГОСТ 5632,72. После установки заготовки втулки 7 на полый вал 5 с наружным диаметрам db, надетый и закреплен- 50 ный на дорне 1, ее подвергают горячей пилигримовой прокатке с размера 360 мм х

Бз при длине D до размера 285 мм х S npu длине 5420 мм (см.фиг,3-5). Фактические значения переменных (для каждого способа 55, и для его предела значения —, соответстS

d венно) величины дь, ЯЛ.з,S» — „конкретное)

S для сопоставления приведены в таблице.

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

Для справки и для наглядности преимуществ предлагаемого способа необходимо отметить, что после охла>кдения 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 доа 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 многаштучного цельного соединения (втулки на валу) с одних общих операций нагрева, установки, снятия с дорна, охлаждения и даже дальнейшей общей абточки втулки снаружи (о 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 металлаемкости 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 запрессооывании, 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

Параметры и показатель

Пример

Изобретение при — >0,167

2оо

1Е0

190

Е5

Эо

2730 е0

2620

2500

Толщина стенки прокатанной втулки S, мм

47 5

42,5

52,5

Фактическая величина отношеS ния—

Нет

Есть Нот

По всему контуру сопрягающихся окружностей втулки и вала.

0 двух противоположных точках касания соп» рягаоцихся контуроа втулки и вала

Cnnaub по всей поверхности сопряжения

Ио винтовой линии

Прочность и несущая способность, характеризуеная

g .1. проворотом(срывом) втулки на валу при эксплуатации соеди" нения с передаааемык технологическим крутящим нонентом 600 кгм, 21

10 ь

1е 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 крупнодиаметрэльного, 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 нэ валу без регламентации соотношения —, т.е. при — (0,167.

S S о о

11аружный диаметр полого вала

dbms мм

Толщина стенки заготовки втулки

S» мм

Длина заготовки втулки 1 3, нн

Овализация втулки на валу после прокатки и охлаждения

Иестонахождение плотного прилегания втулки к валу в их поперечнон сечении

8 Характер плотного прилегания по сопрягающися поаерхностян втулки и вала

9.2. возникновение в деталях, в соединении трещин после ох лаждения, Прочность и несущая способность соединения, изготовленного с соотношением — > 0,167 выше, чем после изготовления со

cf

5 значением — - 0,167 и — <0167:

S S (j о при испытании нэ крутящий момент соответственно в 1,5 и в 1,9 раза; по наличию трещин после охлаждения в

10 1,3и в 1,8 раза.

Формула изобретения

Способ неподвижного соединения деталей типа вал-втулка, включа1ощий нагрев втулки, установку ее на вал, пластическое

15 деформирование втулки, охлаждение соединенных деталей, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности, несущей способности и долговечности соединения за счет сохранения устойчивости

20 профиля поперечного сечения втулки в процессе пластического деформирования, пластическое деформирование осуществляют путем горячей пилигримовой прокатки, причем прокатку ведут до соотношения толщи25 ны стенки втулки к ее наружному диаметру, равному более 0,167. д5- =0,14З ye/- 0,167 д - О, le5

42 5, 47 5 52 5

1834782