Література

1. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительньїх и механических специальностей вузов.- 4-е изд., перераб. и доп.- М- Машино-строение, 1989.-496 с.

2. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для студентов вьісш. техн. учеб. заведе­ний.- 5-е изд., перераб.- М.: Вьісш. пік., 1991.- 383 с.

3. Заблонский К.И. Детали машин.- К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-518 с.

4. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Маслов Г.С. Прикладная механика: Учеб. для вузов/ Под ред. Г.Б.Иосилевича. - М: Вьісш. шк., 1989. - 351 с.

5. Эрдеди А.А., Эрдеди Н.А. Техническая механика. Детали машин: Учеб. для машиностр. спец, техникумов. - М.: Вьісш. шк., 1992. - 272 с.

6. Прикладная механика: Учеб. пособие для вузов/ Руков. авт. кол. проф. К.И.Заблонский. - 2-е изд., перераб. и доп.- К.,: Высшая шк. Головное изд-во, 1984.-280 с.

Лекція 4

Зварні, клейові та паяні з’єднання. Конструкція. Розрахунок на міцність.

Зварні з'єднання

Зварні з'єднання належать до нерознімних з'єднань, утворюються за раху­нок міжатомних зв'язків між звареними деталями при нагріванні або деформу­ванні і є найбільш досконалими, оскільки краще за інші наближають з'єднання до суцільних деталей. За видом джерела енергії, способом розігрівання металу існують різні способи зварювання. Найпоширеніші газове, електродугове, контактне, дифузійне зварювання.

Контактне електрозварювання відбувається за рахунок розігрівання стику деталей невеликої товщини теплотою, яка виділяється при проходженні елек­тричного струму. Газове зварювання супроводжується оплавленням матеріалу деталей і дроту присадочного металу високотемпературним газовим полум'ям. Воно застосовується для зварювання деталей невеликих товщин або при ре­монті виробів з чавуну, бронзи, алюмінієвих та інших сплавів.

Електродугове зварювання - це різновидність зварювання оплавленням. Джерелом енергії в цьому випадку є електрична дуга. При електродуговому зварюванні з'єднання відбувається за рахунок металу електрода або металу з'єднуваних деталей. За технологічним використанням дугове електрозварю­вання поділяється на автоматичне (сила струму І = 1000...3000 А), яке викори­стовується в загальному машинобудуванні, напівавтоматичне і ручне (сила струму І = 200...500 А), що застосовується в ремонтному та індивідуальному виробництві.

Широке використання зварювання деталей у машинобудуванні пояс­нюється його перевагами порівняно з іншими видами нерознімних з'єднань:

• менша (приблизно на 20%) витрата матеріалу порівняно з заклепочними З'єднаннями;

• мала трудомісткість і висока продуктивність зварювальних робіт;

• низька вартість (в 1,5...2 рази дешевше порівняно з литими деталями і поковками);

- можливість автоматизації процесу.

До недоліків зварних з'єднань належать залишкові температурні напру­ження, які знижують здатність чинити опір при вібраціях і ударному наванта­женні, і нестабільність якості шва, яка зменшується при автоматизації процесу.

Залежно від взаєм­ного розміщення зваре­них деталей з'єднання ду­говим або газовим зва­рюванням розрізняють стикові (рис. 9.1,а), куто­ві (рис. 9.1,6), таврові (рис. 9.1,в) з'єднання і з'єднання внапуск (рис. 9.1,г). У свою чергу, кожний вид з'єднань за­лежно від кількості швів, форми розробки кромок з'єднуваних деталей то­що, У1 - У15, таврові ТІ - Т16, внапуск НІ - Н8 (рис. 9.1).

При зварюванні деталей у з'єднання можуть застосовуватись два типи зварних швів: стиковий (рис. 9.2) і кутовий (рис. 9.4). Основними параметрами швів є його довжина і товщина (для стикового шва) та довжина і катет шва k «5 (рис. 9.4) для кутового шва.поділяються на: сти­кові - СІ - С25, кутові

Рис. 9.1. Основні види зварних з'єднань: а - стикові; б - кутові; в - таврові; г - внапуск

Зварні з'єднання електродуговим зварюванням позначаються на креслен­нях лінією з однобічною стрілкою, яка вказує на шов. Позначення включає тип шва (лінійний, замкнутий і т.п.),

номер ГОСТа (ГОСТ 5264-80), вид зварного з'єднання (наприклад, У8, ТЗ), розмір катета (наприклад, (\$, М) і конструк­тивні особливості шва (може бути відсутній).Розрахунок зварних з'єднань. Розглянемо спочатку розрахунок стикових зварних з'єднань. При роботі стикового з'єднання можливі такі види руйнувань з'єднання (рис. 9.2):

Рис. 9.2. Схема стикового з'єднання

1)по самому шву (лінія 1-1);

2)по місцю сплавлення шва з ос­новним металом (лінія 2-2);

3)по лінії 3-3 у зоні термічноговпливу, в якій в результаті нагрівання при зварюванні можуть змінюватись механічні властивості матеріалу.

Практикою експлуатації зварних стикових з'єднань встановлено, що їх руйнування відбувається переважно в зоні термічного впливу. Тому розрахунок на міцність таких з'єднань прийнято виконувати за розмірами перерізу деталі в цій зоні. Розрахунок стикового зварного з'єднання проводять як суцільної деталі з тією різницею, що за допустимі приймають допустимі напруження для зони

термічного впливу [ ]:

₍₉₁₎

де [ ]_р - допустимі напруження розтягу основного металу.

Таким чином, розрахунок стикового з'єднання, зображеного на рис. 9.2, зводитиметься до наступного.

Напруження розтягу (стиску):

де - довжина шва; 8 - товщина з'єднаних деталей. Напруження згину:

Зварні з'єднання внапуск виконують, як правило, кутовими швами. За розміщенням шва відносно навантаження розрізняють флангові, лобові, косі та комбіновані шви. Внаслідок нерівномірності розподілу напружень по довжині шва (рис. 9.3,а,б) їх довжина повинна бути обмежена (наприклад, для фланго­вих швів < (50...60) к, де к - катет шва).

Рис. 9.3. З'єднання внапуск: а - флангові; б - лобові; в - косі; г - комбіновані

Флангові шви з'єднання внапуск працюють на зріз (рис. 9.4,а). При цьому руйнування відбувається по лінії m-m, де площа зрізу найменша. Висота шва h< 0,7<k Розрахунок таких з'єднань ведеться за формулою: }

(9.2)

де - довжина шва; = (0,5...0,65) - допустимі напруження зварного шва на зріз.

9.4. Паяні та клейові з'єднання

Паяні з'єднання - це нерознімне з'єднання за рахунок сил молекулярної взаємодії між деталями і припоєм. Припій - це сплав або метал, який вводиться в розплавленому стані між деталями і має нижчу температуру плавлення, ніж

з'єднувані деталі. Відмінність паяння від зварювання у відсутності розплавлен-ня деталей, що з'єднуються.

Міцність паяного шва вища за міцність припою за рахунок розчинення (дифузії) в ньому металу деталей і внаслідок стиснення деформацій у шві.

Пайкою з'єднують деталі різної форми (листи, стержні, труби тощо) з од­норідних або різнорідних матеріалів (чорних і кольорових металів, сплавів, ке­раміки, скла тощо). Неметалічні матеріали при цьому попередньо покривають шаром срібла або графіту з наступним покриттям шаром міді гальванічним способом.

Тип паяного з'єднання визначається формою і розміщенням деталей та на­вантажень і може виконуватись: внапуск, встик, втавр, вдотик тощо.

Припої повинні бути легкоплавкими, мати достатньо високі міцність, пла­стичність, непроникність. Коефіцієнти лінійного розширення з'єднуваних дета­лей і припою не повинні сильно різнитися. Найпоширеніїїшми з них є: сплави олова і свинцю ПОС 61, ПОС 40, ПОС 50, ПОС 10 тощо; олова, свинцю і кадмію (ПОСК); олова, свинцю і сурми (ГОСТ 21930-76*); срібні, олов'яні та олов'яно-свинцеві з вмістом срібла до 10% (ГОСТ 19738-74*); мідно-цинкові сплави.

Розрахунок паяних з'єднань проводять за номінальними напруженнями. Границя міцності на зріз для олов'яно-свинцевих припоїв залежно від матеріалу деталей т_зр = 22...32 МПа, на розтяг - для більшості марок сталей на 30...40% вище т_зр.

Клейові з’єднання - це з'єднання неметалічною речовиною за рахунок по­верхневого зчеплення (адгезії) і внутрішніх міжмолекулярних зв'язків (когезії) в шарі клею.

Перевагами цих з'єднань є: можливість з'єднання деталей з різнорідних матеріалів, з'єднання тонких листів, менша концентрація напружень, мож­ливість забезпечення герметичності. Основний недолік клейових з'єднань -низька теплостійкість, для більшості клеїв не перевішує 60° С (250° С для теп­лостійких).

Вибір клея залежить від матеріалів, які потрібно склеїти, і робочих темпе­ратур. Метали і сплави склеюються між собою і різними неметалевими ма­теріалами клеями БФ2, БФ4 (розчини синтетичних смол у спирті чи ацетоні), які забезпечують границю міцності при зсуві т_в > 10 МПа. Епоксидні клеї ЗД-5, ЗД-6 (г_в > 4...5 МПа) застосовують для склеювання сталі, міді, алюмінію та йо­го сплавів, пластмас. Для склеювання інструмента застосовують клеї на епок­сидній основі ТКЛ-75 і ВК-28 (т_в відповідно дорівнюють 22,0 та 12,0 МПа); на основі епоксидних смол, кремнію та органічних матеріалів - ТКМ-75, ВК-13 та інші.

Якість клейового з'єднання значною мірою залежить від способу і якості підготування поверхні. Застосовують механічну, хімічну або одночасно обидві обробки.

Рис. 9.4. Напруження, що виникають у кутових швах

Розглянемо кутник (рис. 9.5), приварений двома швами довжиною l₁ і 1₂ до пластини і навантажений зусиллям F, прикладеним по центру ваги перерізу кутника. Необхідно підібрати довжину зварних швів з умови рівноміцності.

Запишемо умову міцності для двох швів довжиною її і 1₂:

де через F₁ і F₂ позначені зусилля зрізу в швах відповідно довжиною l₁ і 1₂. Звідси маємо:

(9.3) З рівняння рівноваги з'єднання відносно осі О:

(9.4) З виразів (9.3) і (9.4):

Сумарну довжину швів можна знайти з умови міцності:

У лобових швах зварного з'єднання внапуск (рис. 9.4,6) виникають нор­мальні напруження розтягу а на площадках, перпендикулярних до напрямку дії зусилля, і дотичні напруження зрізу т. Але, виходячи з практики експлуатації зварних з'єднань, прийнято проводити розрахунок цих з'єднань по перерізу m-m, тобто умова міцності цих з'єднань буде мати вигляд (9.2).

Р ис. 9.5. З'єднання фланговими швами Рис. 9.6. До розрахунку лобових

швів на міцність

Для прикладу наведемо розрахунок зварного з'єднання двох зварених смуг, навантажених зосередженою силою F і моментом М (рис. 9.6). Виходячи з умовного розрахунку з'єднання на зріз матимемо умову міцності у такому ви­гляді:

де момент опору небезпечного перерізу шва; А_ш = 0,7kh

площа небезпечного перерізу шва.

Зварне таврове з'єднання може бути виконане двома типами швів: стико­вим (рис. 9.7,а) і кутовим (рис. 9.7,6). Залежно від виду шва умови міцності ма­тимуть різний вигляд.

Для зварного з'єднання, виконаного стиковим швом, умова міцності на розтяг матиме вигляд:

Рис. 9.7. Схема до розрахунку таврового з'єднання

на згин -

Для з'єднання, викона­ного кутовим швом, умови міцності приймуть вигляд:

на розтяг -

на згин -