SU1761426A1 - Способ сборки соединений типа вал-втулка - Google Patents

Abstract

Использование: в механосборочном производстве, дл  сборки прецизионных деталей. Сущность изобретени : центрирование вала при установке его во втулку осу- ществл ют со смещением оси вала относител ьно оси отверсти  на базовом торце втулки на величину, котора  равна половине величины неперпендикул рности оси отверсти  втулки базовому торцу. На втулку подают продольные электрозвуковые колебани  и производ т сборку перемещением одной детали относительно другой, при этом к валу прикладывают силу дл  компенсации его упругих обжатий, возникающих вследствие пластической деформации. 6 ил

Description

Изобретение относитс  к механосборочному производству и предназначено дл  сборки йрецизионных деталей с зазором и по переходным посадкам с небольшим нат гом .

Надежность машин в значительной степени определ етс  точностью :оединений, достигнутых при сборке. Тс к, неперпендикул рность оси отверсти  вту; ки (кольца) базовому торцу приводит при сборке вала к потере точности положени  вала после установки собранной единицы в корпус. Монтаж на имеющем такие погрешности вале зубчатого колеса приводит t неправильному зацеплению и преждевременному выходу его из стро .

Известны способы повышени  точности соединени  цилиндрических деталей, имеющих отклонени  от правильней геометрической формы. Так, дл  компенсации вли ни  отклонени  формы одной детали в

собранном узле осуществл ют подбор второй детали, соедин емой в первой таким образом, чтобы погрешность изготовлени  первой компенсировалась погрешностью изготовлени  второй (см. Б.С.Балакшин. Теори  и практика технологии машиностроени  Кн 1 - М.: Машиностроение, 1982, - с.68-78.) Недостатком указанного способа  вл етс  низка  производительность из-за затрат времени, св занных с подбором деталей , вала и втулки, отклонени  от формы которых были бы одинаковы, а также их последующей ориентации дл  взаимной компенсации погрешностей.

Известен также способ ультразвуковой сборки, повышающей качество соединений (авт.св. № 1344566, кл В 23 Р 11 /02), в котором производ т центрирование осей вала и втулки, прилагают статическое усилие к перемещаемой детали и воздействуют ультрасо

VJ

о

Ј го о

звуковыми колебани ми на соедин емые детали.

Недостатком этого способа  вл етс  то, что рассматриваемую погрешность перпендикул рности оси отверсти  базовому торцу способ исправл ет незначительно, что приводит к низкой точности соединений по данному параметру.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и качества соединени  путем компенсации неточности изготовлени  втулок . Указанна  цель достигаетс  тем, что центрирование вала при установке его во втулку осуществл ют со смещением оси вала относительно оси отверсти  на базовом торце втулки на величину, равную половине величины проекции неперпендикул рности оси отверсти  втулки на базовый торец, подают на втулку продольные ультразвуковые колебани  и производ т сборку перемещением одной детали относительно другой под воздействием статического усили , при этом прикладывают переменную силу к цилиндрической поверхности вала дл  компенсации его упругих отжатий, возникающих вследствие пластической деформации в виде микрорезани  части объема металла с внутренней поверхности втулки, причем закон изменени  силы и место приложени  относительно установочно- зажимного приспособлени  св заны следующим соотношением:

0(9

К -f -к -г -  -d(1 -Ј)

Й2(

где Q(Z) - сила, прикладываема  к валу;

f-коэффициент трени  присоединении вала и втулки;

От- предел текучести материала втулки;

. Z - текуща  координата осевого положени  вала относительно базового торца втулки;

d - номинальный диаметр вала;

b - ширина кольца;

I - длина вала от места закреплени  в установочно-зажимном приспособлении;

h - рассто ние от места закреплени  вала до места приложени  силы;

К - коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трени  и предела текучести под воздействием ультразвуковых колебаний (К 0,061...0,14), причем наибольша  допустима  величина смещени  вала относительно оси отверсти  втулки зависит от геометрических характеристик ци- линдрической поверхности вала и определ етс  из соотношени :

4Wnax Sw

А

где Д- величина смещени  оси вала относительно оси отверсти  базового торца, равна  половине величины проекции неперпендикул рности оси отверсти  втулки на базовый торец;

Wmax максимальна  величина волнистости вала;

Sw шаг волнистости вала. Существенным отличием, по мнению авторов,  вл етс  смещение оси вала относительно оси отверсти  втулки на базовом

торце на величину, равную половине величины неперпендикул рности оси отверсти  на базовый торец втулки и приложение к цилиндрической поверхности вала в рассчитываемом месте силы, измен ющейс  по определенному закону, предназначенной дл  компенсации упругих отжатий вала, возникающих при соединении со втулкой, вследствие пластической деформации последней в виде микрорезани  части объема с внутренней поверхности. Причем, применение этого способа зависит от геометрических показателей волнистости вала. Вывод формул приводитс  ниже. Именно такие действи  позвол ют повысить точность

соединени , исправив неперпендикул рность оси отверсти  втулки базовому торцу.

На фиг.1 представлена схема сборки по предлагаемому способу, где 1 - вал, 2 втулка ,3 - концентратор ультразвукового преобразовател , 2Д - величина проекции неперпендикул рности оси отверсти  втулки на базовый торец; на фиг.2 - продольное сечение вала с параметрами волнистости;

на фиг.З - схема к расчету объема материала втулки, удал емого в процессе соединени ; на фиг.4 - схема к расчету силы Q (Z) и месте ее приложени ; на фиг.5 - развертка площади контакта вала и втулки при предлагаемое

способе соединени ; на фиг.6 - пример расчета изменени  силы Q (Z).

Нашими исследовани ми установлено что введение в зону соединени  вала ее втулкой ультразвуковых колебаний транс

формирует процесс упругого и пластическо го формообразовани  в микрорезание микронеровност ми более твердой детал1 поверхности другой даже при небольши глубинах внедрени  неровностей. Физиче

ека  природа этого  влени  с точки зрени5 теории дислокаций подробно описана в ра ботеСеверденко В.П., Клубович В.В., Степа ненко А.В. Обработка металлов давлениес. с ультразвуком Минск: Наука и техника

1973, где отмечаетс  снижение предела текучести металлов ат под воздействием ультразвука в 3,5...4 раза и коэффициент трени  в 2...4 раза.

Кажущеес  на первый взгл д снижение прочности соединени  на самом деле места не имеет. Так прочность соединений при сдвиге в осевом направлении увеличилась после сборки с ультразвуком в 1,2...1,6 раза, а жесткость при нагружении сосредоточенной силы в диаметральном сечении в 1,6...1,8 раза. Разборка таких соединений тепловым методом показала, что впадины микронеровностей поверхности более твердой детали заполнены плотно спрессованной стружкой, что увеличивает фактическую площадь контакта соединени  деталей. Аналоги : повышение прочности посадок с нат гом при нанесении на сопр гаемую поверхность абразивных порошков (например , Гречишев Е.С., Иль шенко А.А. Соединени  с нат гом - М.: Машиностроение , 1981 - С. 92-96). При необходимости авторы готовы представить подробные результаты этих исследований.

Последовательность действий и их сущность при предлагаемом способе соединени  состоит в следующем.

1.Определ етс  величина проекции неперпендикул рности оси отверсти  втулки на базовый торец (обозначим - 2Д).

2.Снимаютс  профилограммы с образующей вала и определ ют по ним максимальную величину волнистости Wmax и средний шаг волны Sw (фиг.2).

Это необходимо в св зи с тем, что фактором , ограничивающим применение предлагаемого способа,  вл етс  условие размещени  микростружки, в которую перейдет объем V (фиг.З), во впадинах волны поверхности вала. В противном случае (при превышении объема стружки, заключенного между впадиной волны и поверхностью втулки) ухудшаетс  поверхность втулки и втулка деформируетс . Расчет произведен из услови  возникновени  наихудшего случа , когда вс  микростружка может оказатьс  в первой впадине волны (на фиг.2 этот объем заштрихован).

Из математических соотношений следует , что условие размещени  микростружки в первой впадине волны выразитс  следующим соотношением;

д 4УЧпах Sw,

b

где b - ширина кольца.

3.Ось вала, закрепленного в установоч- но-зажимном приспособлении, устанавливают относительно оси отверсти  на

базовом торце втулки со смещением на величину Д, равную половине величины проекции неперпендикул рности оси отверсти  втулки на базовый торец.

4. Втулку закрепл ют в приспособлении ,  вл ющемс  частью ультразвуковой колебательной системы, подают на нее продольные ультразвуковые колебани  и производ т .соединение вала со втулкой под

действием статического осевого усили , причем в момент соприкосновени  вала со втулкой к цилиндрической поверхности вала со стороны противоположной возникающей при соединении силе Р, определ емой

возникающим микрорезанием объема V, прикладывают силу Q на определенном рассто нии И от места закреплени  вала (фиг.4,а). Величина силы Q в зависимости от места ее приложени  И определ етс  из

следующих соображений. На фиг.4,6 приведена схема расчета. Исход  из нее, определим прогиб в любой точке х от действи  сил РиО.

25

- (QH -PQx2 , (Q - Р)х3 у EIL2 6

Q(x-hy

-.

(2)

где Е - модуль упругости; I - момент инерции сечени  вала.

В св зи с поставленной задачей необходимо , чтобы на свободном конце вала () прогиб был равен нулю, т.е. у 0. Тогда уравнение (2) примет вид

-3 (Qh-PI)l2+ (Q-P)I3- Q(l-h)3 0. (3) Производ  упрощение и реша  (3) относительно О, получим:

2PI

№-/) Й2(з-)

Найдем закон изменени  силы Р при перемещении вала по поверхности втулки. Сила Р зависит от напр жений в контакте, площади контакта F и коэффициента трени  f

P faT F .(6)

Дл  определени  площади F сделаем развертку площади контакта вала со втулкой до середины втулки (фиг.5). Рассмотрим изменение площади контакта при перемещении вала по координате Z

F -9Z(M h

+ -Z -ctg«).

(7)

F

(8)

О)

jrd . где ctg 25 .

Подставл   (8) в (7), получим

Р(1 -f)

В св зи с тем, что под воздействием ультразвука при соединении происходит микрорезание, а предел текучести снижаетс  в 3,6..А раза, то в зоне контакта напр жени  составл ют -&- , где Кч - коэффициент м

снижени  предела текучести в 3,5...4 раза при -воздействии ультразвуковых колебаний .

Коэффициент трени  при соединении

составл ет , где К2 - коэффициент снижени  коэффициента трени  под воздействием ультразвука в 2...4 раза.

Таким образом, сила возникающа  при соединении деталей, зависит от текущей координаты положени  вала относительно втулки Z и определ етс 

Р К faTZ (1 -|) , (10)

гдеК -г;тг- 0,061. ..0,14 -коэффициент

М

снижени  механических характеристик под воздействием ультразвука;

d - номинальный диаметр вала;

Ь - ширина кольца.

Подставл   значение Р из (10) в (5) .получим закон изменени  силы Q в зависимости от места ее приложени  И и координаты положени  вала и втулки Z

K-f -0т -Z - -dO -I)

о(2) , .01)

Й2(з h

)

I

5. Действие силы Q(Z) снимают после прохождени  валом всей ширины втулки. Досылку втулки до требуемой координаты взаимного расположени  вала и втулки производ т под действием статического осевого усили .

Производилась сборка валов со втулками . Обе детали были изготовлены из стали 45((/т 36 кг/мм ), окончательна  обработка валов и отверстий - плосковершинное шлифование .

Валы имели следую щие геометрические характеристики: d ю/0 005 мм; b 15 мм-Wmax 0,015 мм; Sw 3 мм. Втулки: d 10 мм, величина проекции неперпендикул рности оси отверсти  на базовый торец 2А 0,02 мм. (А 0,01 мм).

1) Определ ем возможность применени  данного способа сборки по формуле (I)

0

5

0

5

0

5

0

5

-0.015

А тгг(J,( мм .

Следовательно, данный способ можно использовать дл  сборки.

2) Определ ем закон изменени  силы Q(Z) по формуле (II). Длина вала до места закреплени  I 100 мм, место приложени  силы И 70 мм.

Z О0(0) О

Z IMM0(1) 18,7 кгс

Z 3 мм;0(3) 48 кгс;

Z 5 мм;0(5) 66,7 кгс;

Z 7,5 мм; 0(7,5) 75,0 кгс;

г 10мм; 0(10) 66,7 кгс;

г 12мм; 0(12) 48 кгс;

г 14мм;0(14) 18,7 кгс;

г 15мм;0(15) О

График изменени  Q(Z) приведен на фиг.6. Изменение на микроскопе УИМ-23 неперпендикул рности вала базовому торцу показало, что эта средн   величина составила 0,006 мм (выборка составл ла 10 штук).

При сборке обычным методом средн   неперпендикул рность вала базовому торцу втулки составила 0,0223 мм. Т.е. применение предлагаемого способа повысило точность в 3,7 раза.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ сборки соединений типа вал- втулка, включающий центрирование соедин емых деталей, приложение усили  к одной из соедин емых деталей и воздействие на них ультразвуковыми колебани ми, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и качества соединений , центрирование вала при его запрессовке во втулку осуществл ют со смещением оси вала относительно оси отверсти  втулки на ее базовом торце на величину, равную половине величины проекции неперпендикул рности оси отверсти  втулки на базовый торец, подают на втулку продольные ультразвуковые колебани , а при перемещении одной детали относительно другой к образующей цилиндрической поверхности вала прикладывают силу, определ емую из соотношени 

   0(2)

   K-f -о, -Z -tt-d(1 -|)

   Й2Сз-)

   где Q(Z) - сила, прикладываема  к валу;

   f- коэффициент трени  присоединении вала и втулки;

   (h- предел текучести материала втулки;

   Z - текуща  координата осевого положени  вала относительно втулки;

   d - номинальный диаметр вала;

   b - ширина втулки;

   I - длина вала от места закреплени  в установочном зажимном приспособлении;

   И - рассто ние от места закреплени  вала до места приложени  силы Q(Z);

   К - коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трени  и предела текучести под воздействием ультразвуковых колебаний (К 0,061-0,14), причем величину смещени  оси вала относительно оси отвер0

   сти  базового торца определ ют из соотношени 

   А 4 ЛЬакс Sw

   где А- величина смещени  оси вала относительно оси отверсти  базового торца, равна половиневеличины неперпендикул рности оси отверсти  втулки базовому торцу;

   Wmax - максимальна  величина волнистого вала;

   Sw - шаг волнистого вала.

   Фиг

   2

   г

   (DU2.3

   ФигМ

   JT-Z-CtgcL

   A

   Фиг. 6

   Составитель В . Николаев Техред М.Моргентал

   У

   Q V

   f.O 12,0 ko W KJ3 l

   Корректор Е.Папп