Глава XXI

СВАРНЫЕ ДЕТАЛИ МАШИН (РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ)

§ 1. Типы сварных деталей машин

Детали машин сваривают из заготовок, получаемых самыми различными способами.

Конструкций, свариваемых из проката, весьма много. К ним относятся рамы (рис. 21-1), станины, барабаны, редукторы, зуб­чатые колеса (рнс. 21-2), штанги с проушинами (рис. 21-3), тяги и другие машиностроительные детали (рис. 21-4).

На рис. 21-5 приведены сварные конструкции подшипнико­вых опор разных систем. Все они выполнены из листового про­ката с усилением корпусов приваркой ребер жесткости. Замена литых деталей машин сварными позволила получить экономию металла до 50%.

Примерами конструкций, изготовленных из поковок, служат различные валы (рис. 21-6). Применение составных поковок упрощает изготовление деталей машин, по сравнению с целы­ми, нередко уменьшает объем механической обработки if способ­ствует удешевлению производства.

При производстве сварных конструкции рекомендуется при­менять листовой прокат, фасонные профили, в особенности тонкостенные, гнутые, прессованные, штампованные заготовки, обеспечивающие возможность применения легких сварных изде­лий повышенной жесткости и устойчивости.

Ряд примеров штампо-сварных изделий можно найти в авиа­ционных конструкциях, автостроении, строительной промышлен­ности и других отраслях. Область применения штампо-свирпьиг конструкций непрерывно расширяется. Сварку литых деталей применяют для упрощения технологического процесса литья.

Вес сварных стальных конструкций часто бывает в 2 раза меньше, чем чугунных при одинаковых прочности и жесткости. Таким образом, экономичность замены чугунных отливок свар­ными стальными конструкциями очевидна.

658

Рис. 2!-i. Сварная рама механических ножниц

Рис. 21-2. Двустспчатое сварное зубчатое колесо

В настоящее время в машиностроении переводят на сварные изделия металлургическое (в частности, трубопрокатное), крано­вое и другое оборудование, заменяют чугунные станины электро­двигателей, металлорежущих и других видов станков, редукто­ров и др.

Рис. 21-3. Штанги с проушинами

Рис. 21-4. Сварные тяги

План развития народного хозяйства требует создания новых. конструкций тяжелого машиностроения (турбин, котлов, метал­лургического и станочного оборудования и др.), изготовление которых литьем, ковкой и штамповкой представляет большие, иногда непреодолимые трудности. Применение электрошлаковой

660

варки открыло путь к созданию комбинированных сварных ^С,заелнп из отливок, поковок и проката экономичных по весу, . 'минимальными припусками па механическую обработку,

Рис. 21-5, Сварные подшипниковые опоры

а главное, позволяющих изготовлять их на менее мощном литей­ном и кузнечном оборудовании (рис. 21-7).

Разработана классификация толстостенных изделий, в кото­рых особенно рекомендуется электрошлаковая сварка.

661

Рис. 21-6. Сварной вал шахтной подъемной машины

Рис. 21-7. Верхняя сварная станина ко-вочпо-штамповочпого пресса

При проектировании деталей машин следует учитывать сле­дующие обстоятельства:

'' I. Диапазон применяемых марок сталей широк и не ограни­чивается малоуглеродистыми и низколегированными конструк­ционными сталями. Нередко применяют стали в термически обработанном состоянии, высоколегированные и т. п. К качеству сварки предъявляются высокие требования.

2. В деталях машин весьма часто рабочие размеры элементов определяются условиями не прочности, а жесткости. Поэтому при переводе машиностроительных конструкций с литья на свар-kv нередко рабочие напряжения принимаются значительно ниже допускаемых.

3, В деталях машин большое значение имеет точность изго­товления. Остаточные напряжения в сварных конструкциях, находящихся в эксплуатации, с течением времени меняют свою пс-личину. Вследствие этого в конструкции появляются дефор­мации. Для устранения этого явления сварные изделия, изготов­ляемые н обрабатываемые по высшим классам точности, необ­ходимо после сварки подвергать термической обработке (отпу­ску в нагревательных печах). Механическую обработку сварных деталей машин следует, как правило, производить после отпуска, однако очень часто их обрабатывают, не производя вовсе отпу­ска. Только при тщательной отработке техпологин сварки можно ^опускать «горячий монтаж», т. е. детали предварительно меха­нически обрабатывать, а затем собирать и сваривать между собой.

■1. В зонах сварных соединений некоторых низколегированных счалей имеет место процесс замедленного распада аустенитной структуры, вызывающий деформирование конструкции в течение некоторого времени. Процесс деформирования постепенно аатухаст. Деформирование в функции времени сварных конструкции из малоуглеродистой и аустенитной стали не происходит.

В изделиях из сталей других марок деформирование продол­жается в течение более или менее продолжительного времени, а потом прекращается вовсе. Деформирование соединения ме­няет размеры конструкции.

Существуют разные мероприятия для устранения этого вред­ного явления. Одно из них— применение рациональной термиче­ской обработки изделия после сварки. Снятие остаточных напря­жений полезно, так как при этом не будут возникать пластиче­ские деформации при суммировании напряжений и будет уско­ряться процесс стабилизации структур.

5. Детали машин часто имеют небольшие размеры, но выпу­скаются в значительном количестве. Поэтому следует рекомен­довать высокопроизводительную сварку: контактную, автомати­ческую под слоем флюса, в среде углекислого газа и др.

663

Помимо процессов сварки и пайки, в деталях машин большое значение приобретают процессы наплавки. Наплавка применяет­ся не только для восстановления .изношенных поверхностей кон­струкций при их ремонте, но и с целью придания их поверхно­стям заданных свойств. Так производится наплавка быстрорежу­щей стали на поделочную с целью получения недорогих износо­стойких инструментов; наплавка твердых сплавов на трущиеся поверхности в машинах и механизмах. При проектировании про­цессов наплавки следует учитывать применение наиболее рас­пространенных в промышленности способов (под слоем флюса, специальными электродами), а также новых способов, например* взрыва. I

Применяют также поверхностную закалку кислородно-ацети­леновым пламенем и ТВЧ. Этот процесс несколько труден, так как требует тщательной технологической отработки. Тем не ме­нее, закалка находит разностороннее применение на машино­строительных заводах при обработке шестерен, бандажей, кра­новых бегунов и т. п.

Детали машин часто воспринимают действие динамических нагрузок. Это требует проектирования конструкций с возмож­ным устранением концентраторов напряжений с учетом динами­ческого эффекта. Его учитывают введением динамического коэф­фициента -п. Расчетное усилие при этом равно

Я = Р_атт + Р_тя% (21.1)

где Япост —усилие от постоянных нагрузок;

р_вод __ усилие от полезных нагрузок. Значения т] принимаются в зависимости от вида машины и характера ее работы:

^ = 1-н 1,1 — в электромашинах, шлифовальных станках, рота­ционных компрессорных турбинах; п. = 1,2 -г- 1,5 — в двигателях внутреннего сгорания поршневых

насосах й компрессорах; j-j — 1,5-г-2,0 — в волочильных станках, рычажных прессах, пиль­ных рамах; г) = 2,0 4-3,0—в прокатных станах, камнеломных машинах.

Помимо увеличения заданных значений статических усилий, при проектировании деталей машин производится снижение до­пускаемых напряжений с учетом вибрационного действия на деталь. Это снижение допускаемых напряжений в основном ме­талле производится с учетом комплекса факторов, рассматри­ваемых в специальных курсах применительно к каждой отрасли техники.

Допускаемые напряжения в сварных соединениях деталей машин снижаются относительно допускаемых напряжений основ­ного металла путем умножения [<т]_р на коэффициент у, вычис-

664

ляемый в зависимости от эффективного коэффициента концент­рации сварного соединения К_э (см. § 7, гл. X).

Таким образом, величина расчетного сечения шва при растя­жении элементов

Р — "пост ~т~ Ч "под

Аналогичным образом

где [ff'Jp —допускаемое напряжение в шве при растяжении;

у — коэффициент, учитывающий вибрационный характер нагрузок. В деталях машин может быть полезным применение пайки, например, в телескопических соединениях трубчатых элементов разных диаметров, в элементах, соединяемых внахлестку и втавр„ при сложных геометрических формах (в сотовых конструкциях,. рис. 4-44, е) и др., при которых наложение сварных швов оказа­лось бы затруднительным,