Способ сборки соединения деталей типа вал - втулка

 

Использование: в механосборочном производстве при сборке прецизионных прессовых соединений. Сущность изобретения: втулке сообщают поперечные ультразвуковые колебания с амплитудой, равной величине натяга. Одновременно к одной из сопрягаемых деталей прикладывают осевое усилие. Величину усилия определяют из условия равенства натяга значению максимальной высоты микронеровностей соединяемой детали, имеющей меньшую высоту микронеровностей. При этом величину усилия увеличивают в процессе запрессовки. Скорость перемещения деталей устанавливают равной произведению частоты колебаний на шаг микронеровностей менее твердой детали. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к механосборочному производству и может быть использовано при сборке высокоточных соединений с небольшими натягами и по переходным посадкам.

Известен способ сборки соединения деталей типа вал-втулка, при котором осуществляют предварительное нанесение на сопрягаемую поверхность одной из соединяемых деталей специального микрорельефа, а затем тепловым способом производят сборку [1] . Недостатком данного способа является увеличение экономических затрат, связанных с введением в технологический процесс дополнительной операции.

Известен способ сборки [2], в котором после соединения вала и втулки воздействуют на вал ультразвуковыми колебаниями с амплитудой, пропорциональной среднему шагу микронеровностей более твердой детали для улучшения эксплуатационных показателей соединения.

Недостатком способов является низкая производительность и большие энергетические затраты, связанные с необходимостью нагрева или охлаждения деталей и дополнительным расходом ультразвуковой энергии для упрочнения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ сборки соединения деталей типа вал-втулка методом запрессовки, заключающийся в центрировании соединяемых деталей, приложении ко втулке поперечных ультразвуковых колебаний и воздействии на одну из деталей осевым усилием [3].

Недостатком этого способа является то, что при больших натягах и режимах сборки происходит срезание микронеровностями более твердой детали неровностей менее твердой, что при посадке нешироких втулок на длинный вал приводит к потере прочности соединений.

Технической задачей является повышение прочности соединения, производительности процесса и снижение энергетических затрат при сборке.

Это решается тем, что в известном способе сборки соединения деталей типа вал-втулка методом запрессовки, заключающемся в центрировании соединяемых деталей, приложении к втулке поперечных ультразвуковых колебаний и воздействии на одну из деталей осевым усилием, предварительно с сопрягаемых поверхностей вала и втулки снимают профилограммы и определяют высоту и шаг микронеровностей каждой из них, прикладывают ультразвуковые колебания с амплитудой, равной величине натяга в соединении, а величину осевого усилия определяют из условия равенства величины натяга значению максимальной высоты микронеровностей соединяемой детали, имеющей меньшую высоту микронеровностей, при этом величину осевого усилия увеличивают в процессе запрессовки по мере изменения длины зоны контакта, а скорость относительного перемещения деталей устанавливают равной произведению частоты ультразвуковых колебаний на шаг микронеровностей менее твердой детали.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая способ, где R_max1, R_max2,S₁,S₂ - максимальная высота и шаг микронеровностей поверхностей отверстия втулки и вала; Δ - натяг в соединении; ζ - амплитуда ультразвуковых колебаний втулки; Р_зап - сила запрессовки; на фиг.2 - профиль микронеровностей вала в поперечном сечении после распрессовки соединения, собранного по способу-прототипу; на фиг.3 - профиль микронеровностей вала в поперечном сечении после распрессовки соединения, собранного согласно данному изобретению.

Способ осуществляют с соблюдением следующих условий.

При сообщении втулке поперечных ультразвуковых колебаний с амплитудой, равной натягу, диаметр отверстия втулки d₁ в первый полупериод колебаний будет составлять: d₁ = d_ном + Δ , а второй d₂: d₂ = d_ном - Δ, где d_ном - номинальный диаметр отверстия.

Следовательно, в первый полупериод соединение будет собираться без натяга и микрорельеф поверхностей вала и втулки не будет нарушаться.

С тем, чтобы во второй полупериод колебаний не происходило относительного перемещения деталей, т.е. процесс запрессовки приостановился, силу запрессовки необходимо, во-первых, уменьшить, рассчитав ее из известной зависимости, поставив вместо натяга величину максимальной высоты микронеровностей детали с меньшей высотой микронеровностей R_max. Во-вторых, при определении силы, необходимой для запрессовки, подсчитывают ее по зависимости: P_зап = , где f₃ - коэффициент трения; l - общая длина запрессовки (если запрессовка происходит на всю ширину втулки, то ширина принимается за l); Δ - натяг; Е₁ и E₂ - модули упругости втулки и вала; С₁ и С₂ - размерно-механические характеристики втулки и вала.

После определения Р_зап увеличивают ее на 15-20% и эту силу прикладывают к одной из деталей и выполняют соединение.

К одной из деталей прикладывают не сразу всю силу, а изменяют ее по программе в зависимости от увеличения длины запрессовки.

Таким образом сила запрессовки должна изменяться по следующей зависимости: P_зап(x) = , (1) где R_max - высота микронеровностей поверхности детали с меньшей высотой микронеровностей;
х - координата взаимного положения вала и втулки.

При соблюдении этих условий запрессовка буде происходить только в том случае, когда диаметр втулки под воздействием ультразвука будет изменяться в пределах
d_ном + Δ - R_max1≅ d_1,2 ≅ d_ном + Δ. (2)
Остальные части первого и второго полупериодов колебаний из-за высоких удельных давлений в соединении детали не будут иметь относительного перемещения, но так как частота ультразвуковых колебаний составляет 20000 Гц и более, то дискретность взаимного перемещения деталей практически не наблюдается.

Несмотря на то, что при запрессовке некоторый промежуток времени имеется натяг (согласно формуле 2), равный R_max1, ухудшения профиля микронеровностей поверхности происходить не будет, так как деформация микронеровностей высотой (на половину диаметра от R_max1) при сближении поверхностей - упругая, следовательно, и форма и высота каждой отдельно взятой неровности восстанавливаются после снятия нагрузки.

В связи с тем, что во второй полупериод колебаний диаметр отверстия втулки уменьшается до величины d₂ = d_ном - Δ , необходимо, чтобы в этот момент не происходила пластическая деформация или срезание микронеровностей менее твердой детали. Выполнение этого условия возможно в том случае, если вершины микронеровностей одной детали будут находиться во впадинах микронеровностей другой. Для этого надо согласовать скорость запрессовки с шагом микронеровностей и частотой ультразвуковых колебаний так, чтобы увеличение диаметра отверстия втулки приходилось на прохождение выступа микронеровностей вала над выступом микронеровностей втулки, а уменьшение диаметра отверстия втулки - на прохождение выступов микронеровностей вала по впадине микронеровностей втулки.

Анализируя применяемые в машиностроении посадки, можно прийти к выводу, что наиболее часто встречающиеся соединения: шлифованный вал - расточное отверстие втулки; шлифованный вал - шлифованная внутренняя поверхность втулки, а для высокоточных соединений - вал после суперфиниширования - отверстие втулки после хонингования. При этом на поверхностях деталей будет сформирован следующий микрорельеф (см. табл.1).

Анализ данных показывает, что величины среднего шага неровностей практически одинаковы для наиболее широко применяемых соединений.

В связи с вышеизложенным необходимо, чтобы расстояние, равное половине шага (например, выступ микронеровностей втулки на фиг.1), было пройдено за первый полупериод колебаний
=V, т.е. скорость запрессовки:
V = .

Так как T = , где f - частота ультразвуковых колебаний, то
v = S_m ˙f . (3)
Аналогично для второго полупериода колебаний.

Следовательно, скорость запрессовки должна быть равна произведению среднего шага микронеровностей на частоту ультразвуковых колебаний.

Проводилось соединение подшипника: твердость (HRC_э 60...62) N 202 с диаметром отверстия 10 мм после шлифования ширина - 12 мм со шлифованным валом (HRC_э 35...40). Натяг составлял 0,009 мм.

Замеры параметров шероховатости:
Вал: R_max = 2,4 мкм = 0,0024 мм; S_m = =0,025 мм;
Отверстие: R_max = 0,2 мкм = 0,0020 мм; S_m = 0,025 мм;
= 0,001 мм.

Втулке необходимо сообщить ультразвуковые колебания с амплитудой ζ= 0,009 мм (частотой f = 20000 Гц)
Производим расчет Р_зап(х)
C₁ = - μ; C₂ = - μ E₁=E₂=2·10f₃=0,2 d = 10 мм диаметр, по которому происходит запрессовка;
d₁ = 0 - диаметр отверстия в вале;
d₂ = 15 мм наружный диаметр втулки;
μ = 0,3 коэффициент Пуансона, Е₁ = Е₂ = 2˙ 10⁴ кгс/мм² ˙f₃ = 0,2.

С₁ = 0,7; С₂ = 2,27.

Подставляем соответствующие значения в (1)
P_зап(x) = x=8,44·x
Изменяя значение х, получим закон изменения силы запрессовки в зависимости от относительного положения и кольца подшипника (см.табл.2).

Производим расчет скорости запрессовки по формуле (3)
v = 0,025˙ 20000 = 500 мм/с
Распрессовка соединений, собранных по изобретению, показала увеличение прочности в 2,4 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ СБОРКИ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ВАЛ - ВТУЛКА методом запрессовки, заключающийся в центрировании соединяемых деталей, приложении к втулке поперечных ультразвуковых колебаний и воздействии на одну из деталей осевым усилием, отличающийся тем, что предварительно с сопрягаемых поверхностей вала и втулки снимают профилограммы и определяют высоту и шаг микронеровностей каждой из них, прикладывают ультразвуковые колебания с амплитудой, равной величине натяга в соединении, а величину осевого усилия определяют из условия равенства величины натяга значению максимальной высоты микронеровностей соединяемой детали, имеющей меньшую высоту микронеровностей, при этом величину осевого усилия увеличивают в процессе запрессовки по мере изменения длины зоны контакта, а скорость относительного перемещения деталей устанавливают равной произведению частоты ультразвуковых колебаний на шаг микронеровностей менее твердой детали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4