RU2749704C1

RU2749704C1 - Method for obtaining key joint on shaft

Info

Publication number: RU2749704C1
Application number: RU2020126643A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Яковлев; Оксана Федоровна Симонова; Денис Борисович Романов
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2021-06-16

Abstract

FIELD: metalworking.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metalworking, in particular to methods of manufacturing, restoration and hardening of surfaces of machine parts by electromechanical processing, is aimed at increasing the durability of keyed joints on shafts in conditions of mass and repair production. The key is installed in the keyway with a gap. An insulator is installed on the key, which regulates the clearances between the key and the side surfaces of the keyway. Heating and plastic deformation of the shaft keyway is carried out by electrodes-tools for electromechanical processing. Tool electrodes are installed from above at an angle of 10 - 45° to the vertical plane and moved along the keyway along its surface at a distance of 0.5 - 2.5 mm from the edge of the groove, causing settlement and expansion of the shaft metal towards the groove. Shaft metal expansion is limited by a key.

EFFECT: invention is aimed at increasing efficiency and reducing the energy consumption of the process when obtaining a tight keyed connection on the shafts with simultaneous strengthening of the side surfaces of the keyway.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к методам изготовления, восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин электромеханической обработкой, направлено на повышение долговечности шпоночных соединений на валах в условиях массового и ремонтного производства.The invention relates to the field of metalworking, in particular to methods of manufacturing, restoration and hardening of surfaces of machine parts by electromechanical processing, is aimed at increasing the durability of keyed joints on shafts in conditions of mass and repair production.

Плотные соединения (посадки) шпонок на валах обеспечиваются точным изготовлением стандартных размеров шпонок и шпоночных пазов на валах, зависящих от диаметра вала (см. Схиртладзе, А.Г.. Метрология, стандартизация и сертификация / А.Г. Схиртладзе, Я.М. Радкевич. - Старый Оскол: ТНТ, 2015. - 540 с.). Для получения плотных соединений шпонка по ширине делается на десятки микрометров больше ширины шпоночного паза, что позволяет получить натяг при сборке шпонки с валом, как правило, с помощью пресса.Tight connections (landings) of the keys on the shafts are ensured by the exact manufacture of standard sizes of keys and keyways on the shafts, depending on the shaft diameter (see Skhirtladze, A.G. Metrology, standardization and certification / A.G. Skhirtladze, Ya.M. Radkevich. - Stary Oskol: TNT, 2015. - 540 p.). To obtain tight joints, the key width is made tens of micrometers wider than the keyway width, which makes it possible to obtain an interference fit when assembling the key with the shaft, as a rule, using a press.

Недостатками таких технологий является необходимость закалки вала по шпоночному пазу до необходимой твердости. Процессы закалки отличаются сложностью и большими затратами энергии, большим термическим влиянием на деталь, что приводит к значительным деформациям изделий. Кроме того после закалки необходимо применять дополнительные методы финишной механической обработки для получения точных размеров шпоночного паза.The disadvantage of such technologies is the need to harden the shaft along the keyway to the required hardness. The hardening processes are complex and require high energy consumption, a large thermal effect on the part, which leads to significant deformations of the products. In addition, after hardening it is necessary to apply additional finishing machining methods to obtain the exact dimensions of the keyway.

Известны способы электромеханической обработки деталей машин (Яковлев С.А. Влияние электрофизических параметров на электромеханическую обработку деталей машин: монография / С.А. Яковлев. - Ульяновск: УВАУ ГА (И), 2014. - 129 с.) при которых через зону контакта двух деформирующих электрод-инструментов (роликов или пластин) и детали проходит ток большой плотности (10⁸-10⁹ А/м²) и низкого (1-6 В) напряжения, вследствие чего на контактирующих поверхностях изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локальных микрообъемов поверхности с одновременным их пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла внутрь детали, что приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости обработанных участков.Known methods of electromechanical processing of machine parts (Yakovlev S.A. Influence of electrophysical parameters on electromechanical processing of machine parts: monograph / S.A. Yakovlev. - Ulyanovsk: UVAU GA (I), 2014. - 129 p.) In which through the contact zone two deforming electrode-tools (rollers or plates) and the part, a current of high density (10 ⁸ -10 ⁹ A / m ² ) and low (1-6 V) voltage passes, as a result of which a large amount of heat is released on the contacting surfaces of the product, high-speed heating of local microvolumes of the surface with their simultaneous plastic deformation and subsequent intensive cooling due to heat removal into the part, which leads to an increase in the hardness, strength and wear resistance of the treated areas.

Однако данные способы не позволяют обеспечить нужное соединение шпонки на валу.However, these methods do not provide the desired connection of the key on the shaft.

Известен способ получения шпоночного соединения на валах, включающий установку шпонки в шпоночный паз с зазором, нагрев шпоночных пазов вала двумя электродами-инструментами для электромеханической обработки и пластическую деформацию металла (патент РФ №2713890 - принят за прототип), отличающийся тем, что зазоры между шпонкой и боковыми поверхностями шпоночного паза регулируют с помощью изолятора, установленного на шпонку, электроды-инструменты устанавливают вертикально и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,1…1 мм от края шпоночного паза с обеспечением осадки и раздачи металла вала в сторону паза, при этом раздача металла ограничена шпонкой.A known method of obtaining a keyed connection on shafts, including the installation of a key in a keyway with a gap, heating the keyway of the shaft with two electrodes-tools for electromechanical processing and plastic deformation of the metal (RF patent No. 2713890 - taken as a prototype), characterized in that the gaps between the key and the lateral surfaces of the keyway are adjusted using an insulator installed on the key, the tool electrodes are installed vertically and moved along the keyway along its surface at a distance of 0.1 ... 1 mm from the edge of the keyway to ensure upsetting and distribution of the shaft metal towards the groove, in this case, the distribution of metal is limited by a key.

При обработке по данному способу происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковых поверхностей шпоночного паза твердостью до 9 ГПа.When processing according to this method, the formation of a tight connection of the key with the keyway occurs due to plastic deformation and redistribution of the metal with the simultaneous strengthening of the side surfaces of the keyway with a hardness of up to 9 GPa.

Недостатком такого способа является необходимость приложения больших усилий прижатия инструментов к детали для эффективной осадки и раздачи металла в сторону паза. Другим недостатком является необходимость применения больших электрических токов, которые в свою очередь обеспечивают более высокую пластичность металла, что направлено также на более эффективную осадку и раздачу металла.The disadvantage of this method is the need to apply large forces pressing the tools to the part for effective upsetting and distribution of metal towards the groove. Another disadvantage is the need to use large electric currents, which in turn provide a higher plasticity of the metal, which is also aimed at more efficient upsetting and distribution of the metal.

Достигаемый технический результат по заявленному изобретению -это повышение эффективности и снижение энергоемкость процесса при получении плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковых поверхностей шпоночного паза за счет перераспределения металла применением электромеханической обработки с использованием шпонки, установленной в шпоночный паз.The achieved technical result according to the claimed invention is an increase in the efficiency and a decrease in the energy consumption of the process when obtaining a tight keyway connection on the shafts with simultaneous strengthening of the side surfaces of the keyway due to the redistribution of metal using electromechanical processing using a key installed in the keyway.

Указанный технический результат достигается за счет того, что электроды-инструменты устанавливают сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,5…2,5 мм от края паза.The specified technical result is achieved due to the fact that the electrodes-tools are installed from above at an angle of 10 ... 45 ° to the vertical plane and move along the keyway along its surface at a distance of 0.5 ... 2.5 mm from the edge of the groove.

На фиг. 1 представлена схема установки шпонки в шпоночном пазу. Шпонка 2 устанавливается на дно шпоночного паза вала 1. На шпонку устанавливается изолятор 3. С помощью изолятора устанавливаются зазоры между шпонкой и боковой поверхностью шпоночного паза S₁ и S₂. Величина зазора может составлять десятки микрометров, для изношенных шпоночных пазов величина зазоров может достигать до 2 мм.FIG. 1 shows a diagram of the installation of the key in the keyway. The key 2 is installed on the bottom of the keyway of the shaft 1. An insulator 3 is installed on the key. The insulator sets the gaps between the key and the side surface of the keyway S ₁ and S ₂ . The size of the gap can be tens of micrometers, for worn keyways, the size of the gaps can reach up to 2 mm.

На фиг. 2 схематично представлена схема получения шпоночного соединения на валах. Способ осуществляется следующим образом. На специальной оправке (не показана) крепятся электроды-инструменты 4 и 5 для электромеханической обработки шпоночного паза. Электроды-инструменты прижимаются сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости на расстоянии 0,5…2,5 мм от края шпоночного паза вала 1 с усилиями P₁ и Р₂ и перемещаются вдоль шпоночного паза со скоростью ν.FIG. 2 schematically shows a diagram of obtaining a keyed connection on the shafts. The method is carried out as follows. On a special mandrel (not shown), electrodes-tools 4 and 5 are attached for electromechanical processing of the keyway. Tools The electrodes are pressed from above at an angle of 10 ... 45 ° to the vertical plane at a distance of 0.5 ... 2.5 mm from the edge of the keyway of the shaft 1 with the efforts and P ₁ and P ₂ are moved along the keyway with velocity ν.

Электроды-инструменты для электромеханической обработки 4 и 5 подсоединены с помощью токоподводящих кабелей 6 и 7 к источнику питания - силовому модулю для ЭМО 8, образуя с деталью общую электрическую цепь. При замыкании электрической цепи происходит мгновенный нагрев (током до 2500 А) в местах контакта электродов-инструментов 4 и 5 с поверхностью шпоночного паза выше температуры выше фазовых превращений и механическое воздействие этими электродами-инструментами с усилиями P₁ и Р₂. Это позволяет электродам-инструментам в горячем состоянии осаживать поверхности шпоночного паза с раздачей в сторону шпоночного паза. Деформация металла в сторону шпоночного паза ограничивается шпонкой 2.Electrodes-tools for electromechanical processing 4 and 5 are connected by means of current supply cables 6 and 7 to a power source - a power module for EMO 8, forming a common electrical circuit with the part. When the electrical circuit is closed, instantaneous heating (with a current of up to 2500 A) occurs at the points of contact of the electrodes-tools 4 and 5 with the surface of the keyway above the temperature above the phase transformations and the mechanical effect of these electrodes-tools with the efforts P ₁ and P ₂ . This allows the tool electrodes, while hot, to settle the surfaces of the keyway with expansion towards the keyway. Metal deformation towards the keyway is limited by key 2.

При движении электродов-инструментов вдоль шпоночного паза со скоростью ν источник термомеханического воздействия удаляется, что приводит к последующему охлаждению нагретых участков вглубь детали за счет ее массы, в результате чего происходит упрочнение поверхностного слоя боковых поверхностей шпоночного паза.When the tool electrodes move along the keyway at a speed ν, the source of the thermomechanical effect is removed, which leads to the subsequent cooling of the heated sections deep into the part due to its mass, as a result of which the surface layer of the side surfaces of the keyway is hardened.

Сила тока, усилия прижатия электродов-инструментов P₁ и Р₂ к детали, скорость ν перемещения электродов-инструментов вдоль шпоночного паза, угол прижатия электродов-инструментов к вертикальной плоскости, расстоянии от края паза до электрода-инструмента, материал и форма электрода-инструмента принимаются исходя из задач и требований технологического процесса.Current strength, pressing forces of the tool electrodes P ₁ and P ₂ to the workpiece, speed ν of movement of the tool electrodes along the keyway, the angle of pressing the tool electrodes to the vertical plane, the distance from the edge of the slot to the tool electrode, material and shape of the tool electrode are accepted based on the tasks and requirements of the technological process.

Расположение электродов-инструментов сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости обеспечивает оптимальное увеличение составляющей силы сдвига нагретых объемов металла в сторону шпоночного паза. Это позволяет получать качественные шпоночные соединения без использования больших усилий прижатия инструмента к детали.The location of the electrodes-tools from above at an angle of 10 ... 45 ° to the vertical plane provides an optimal increase in the component of the shear force of the heated metal volumes towards the keyway. This allows you to obtain high-quality keyway connections without the use of large forces pressing the tool to the part.

Увеличение силы сдвига при электромеханической обработке электродами-инструментами под углом 10…45° к вертикальной плоскости не требует использования повышенных токов для увеличения пластичности металла по сравнению с прототипом.An increase in the shear force during electromechanical processing with tool electrodes at an angle of 10 ... 45 ° to the vertical plane does not require the use of increased currents to increase the plasticity of the metal in comparison with the prototype.

Перемещение электродов-инструментов вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,5…2,5 мм от края паза позволяет сдвигать в сторону паза более значительные объемы металла, что увеличивает эффективность и позволяет получать шпоночные соединения с предварительными зазорами до 2 мм на сторону.Moving the electrodes-tools along the keyway along its surface at a distance of 0.5 ... 2.5 mm from the edge of the groove allows to shift more metal volumes towards the groove, which increases efficiency and allows to obtain keyway connections with preliminary gaps of up to 2 mm per side.

При обработке по данному способу происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковых поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа, повышается эффективность и снижается энергоемкость процесса электромеханической обработки за счет применения меньшего тока и усилия прижатия инструмента к детали.When processing according to this method, a tight connection of the key with the keyway is formed due to plastic deformation and redistribution of the metal with simultaneous strengthening of the side surfaces of the keyway with a hardness of up to 9 GPa, the efficiency increases and the energy consumption of the electromechanical processing process is increased due to the use of less current and the force of pressing the tool to details.

Claims

A method of obtaining a keyed connection on shafts, including installing a key into a keyway with a gap, heating the keyway slots of the shaft with two electrodes-tools for electromechanical processing and plastic deformation of the metal, when the clearances between the key and the side surfaces of the keyway are adjusted using an insulator installed on the key, and metal distribution limited by a key, characterized in that the tool electrodes are installed from above at an angle of 10 ... 45 ° to the vertical plane and moved along the keyway along its surface at a distance of 0.5 ... 2.5 mm from the edge of the groove.