39. Расчет резьбы на прочность

Шпаргалки для экзаменов

Практика показывает, что основными причинами разрушения резьбовых соединений являются: 1. Усталостное разрушение в виде обрыва стержня винта (более 65 % случаев). 2. Срез резьбы (около 25 % случаев). 3. Смятие резьбы (около 10 % случаев). При этом основной причиной разрушений является концентрация напряжений в витках резьбы. Рисунок 9.11 – Характер распределения нагрузки по виткам резьбы Н. Е. Жуковский в 1902 показал, что нагрузка по высоте гайки (по виткам резьбы) распределяется неравномерно. Наиболее нагруженным является первый виток резьбы (рисунок 9.11), а шестой виток оказывается практически полностью разгруженным, что позволяет ограничить гайку по высоте. Рисунок 9.12 – Способы выравнивания нагрузок в винтовой паре В настоящее время разработаны специальные гайки, позволяющие выровнять нагрузку в резьбе. К их числу относятся висячие гайки (рисунок 9.12), которые растягиваются вместе с винтом. Эти гайки желательно применять при переменной нагрузке. В отличие от закономерностей, полученных Н. Е. Жуковским, в расчетной практике принято, что все витки резьбы нагружены равномерно. Рисунок 9.13 – Схема нагружения резьбы Основной причиной разрушения витков резьбы является срез и смятие. Условие прочности резьбы по напряжениям среза , (9.28) где Н – высота гайки; К – коэффициент полноты резьбы (для треугольной резьбы К ≈ 0,87, для прямоугольной – К ≈ 0,5, для трапецеидальной – К ≈ 0,65); Кm ≈ (0.6÷0,7) – коэффициент распределения нагрузки по виткам резьбы. Если материал гайки и винта одинаковы, то на срез рассчитывают только резьбу винта, так как d > d1. Условие прочности по напряжениям смятия . (9.29) где h – высота профиля резьбы; z – число витков резьбы гайки. Равнопрочность резьбы винта и гайки является основным условием назначения высоты стандартных гаек. Если принять в качестве предельных напряжений пределы текучести материала на сдвиг и растяжение и учитывая, что  , можно записать условие равнопрочности резьбы на срез и стержня винта на растяжение в виде (9.30) Отсюда, приняв К = 0,87 и Кm = 0,6, получим Н = 0,8d1. В соответствии с этим результатом высоту нормальных стандартных гаек принимают Н = 0,8d, что исключает необходимость расчета на прочность стандартных крепежных деталей.

§ 1.5. Расчет резьбы на прочностьОсновные виды разрушения резьб: крепежных — срез витков, ходовых — износ витков. В соответствии с этим основными критериями работоспособности и расчета для крепежных резьб являются прочность, связанная с напряжениями среза τ, а для ходовых резьб—износостойкость, связанная с напряжениями смятия асм (рис. 1.17).   Условия прочности резьбы по напря¬жениям среза τ = F/(πd1HKKm)<[τ] для винта, (1.12) τ = F/(πdHKKm)<[τ] для гайки, где Η—высота гайки или глубина завин¬чивания винта в деталь; K=ab/p или К=се/р — коэффициент полноты резьбы; Кт — коэффициент неравномерности на¬грузки по виткам резьбы. Для треугольной резьбы ЛТ^0,87, для прямо¬угольной К&0,5, для трапецеидальной ЛТ%0,65; #,,,¾ 0,6...0,7— большие значения при σΒΒ/σΒΓ>1,3, где σΒΒ — предел прочности материала винта, а σΒΓ —2-24 гайки. Это связано с тем, что увеличение относительной прочности материала винта позволяет в большей степени использовать пластические деформации в резьбе для выравнивания распределения нагрузки по виткам резьбы. Если материалы винта и гайки одинаковы, то по напряже¬ниям среза рассчитывают только резьбу винта, так как άγ < d. Условие износостойкости ходовой резьбы по напряжениям смятия σсм=F/(πd2hz)<[σcм] (1.13) где z=H/p—число рабочих витков (например, число витков гайки). Формула (1.13) — общая для винта и гайки. Коэффициент Кт здесь принят равным единице с учетом приработки ходовых резьб и при условии, что допускаемые напряжения принимают согласно накопленному опыту эксплуатации (см. гл. 14). Высота гайки и глубина завинчивания. Равнопрочность резьбы и стержня винта является одним из условий назначения высоты стандартных гаек. Так, например, приняв в качестве предельных напряжений пределы текучести материала на растяжение и сдвиг и учитывая, что τχ»0,6στ, запишем условия равнопрочности резьбы на срез и стержня винта на растяжение в виде τ = F/(πd1HKKm)=0.6σ=0.6F/[(π/4)d1^2] откуда при К=0,87 и Кт=0,6 получаем Н=0,8d1.    (1.14) Здесь F/[(π/4)d1^2—напряжение растяжения в стержне винта, рассчитанное приближенно по внутреннему диаметру резьбы dx. В соответствии с этим высоту нормальных стандартных гаек крепежных изделий принимают (см. табл. 1.5) H=0.8d    (1.15) Кроме нормальных стандартом предусмотрены высокие H=1.2d и низкие H=0,5d гайки. Так как d>dx (например, для крепежной резьбы d=1,2d1, то прочность резьбы при нормальных и высоких гайках превышает прочность стержня винта.

По тем же соображениям устанавливают глубину завин¬чивания винтов и шпилек в детали: в стальные детали в чугунные и силуминовые Hi=1,5d. В соответствии с этим высоту нормальных стандартных гаек крепежных изделий принимают (см. табл. 1.5) H=0.8d    (1.15) Кроме нормальных стандартом предусмотрены высокие H=1.2d и низкие H=0,5d гайки. Так как d>dx (например, для крепежной резьбы d=1,2d1, то прочность резьбы при нормальных и высоких гайках превышает прочность стержня винта. По тем же соображениям устанавливают глубину завин¬чивания винтов и шпилек в детали: в стальные детали в чугунные и силуминовые Hi=1,5d. Стандартные высоты гаек (за исключением низких) и глуби¬ны завинчивания исключав η необходимость расчета на про¬чность резьбы стандартных крепежных деталей (см. табл. 1.6). Рассмотренный пример определения высоты гайки является примером оптимизации конструкции резьбовой пары по усло¬вию равнопрочности резьбы и стержня болта. 

 

46. Глава 5 КЛЕММОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ § 5.1. Конструкция и применение Клеммовые соединения применяют для закрепления деталей на валах и осях, цилиндрических колоннах, кронштейнах и т. д. Один из примеров клеммового соединения (закрепление рычага на валу) изображен на  По конструктивным признакам различают два основных типа клеммовых соединений: а) со ступицей, имеющей прорезь (рис. 5.1, а); б) с разъемной ступицей (рис. 5.1, б). Разъемная ступица несколько увеличивает массу и стоимость соединения, но при этом становится возможным устанавливать клемму в любой части вала независимо от формы соседних участков и других расположенных на валу деталей.  При соединении деталей с помощью клемм используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов. Эти силы трения позволяют нагружать соединение как моментом (Г=Л), так и осевой силой Fa. Ранее отмечалось, что передача нагрузки только силами трения недостаточно надежна. Поэтому не рекомендуют применять клеммовые соединения для передачи больших нагрузок. Достоинства клеммового соединения: простота монтажа и демонтажа, самопредохранение от перегрузки, а также возможность перестановки и регулировки взаимного расположе¬ния деталей как в осевом, так и в окружном направлениях (регулировка положения рычагов и тяг в механизмах управле¬ния и т. п.). § 5.2. Расчет на прочность В зависимости от выполнения соединения при расчете можно рассмотреть два предельных случая (рис. 5.2).

Первый случай. Клемма обладает большой жесткостью, а посадка деталей выполнена с большим зазором (рис. 5.2, а). При этом можно допустить, что контакт деталей происходит по линии, а условие прочности соединения выражается в виде

  (5.1) где Fn — реакция в месте контакта; /—коэффициент трения.   По условию равновесия любой половины клеммы, Fn 2F3aT, где jF,aT — сила затяжки болтов. Подставив значение Fn в формулы (5.1), найдем   (5.2) Второй случай. Клемма достаточно гибкая, форма сопрягаемых деталей строго цилиндрическая, зазор в соединении близок к нулю (рис. 5.2, б). В этом случае можно полагать, что давление ρ распределено равномерно по поверхности соприкосновения деталей, а условия прочности соединения выражаются в виде. По аналогии с формулой (1.22) и рис. 1.22, рассматривая равновесие полуклеммы, записываем

44.45. Паяные соединения Паяные соединения — неразъемные соединения, образуемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и присадочным материалом, называемым припоем. Припой-сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемые деталями. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей. По конструкции паяные соединения подобны сварным (рис. 16, а - в). преимущественное применение имеют соединения внахлестку. Стыковое соединение и соединение втавр применяют при малых нагрузках. Рис.16 В отличие от сварки пайка позволяет соединят не только однородные, но и разнородные материалы: черные и цветные металлы, сплавы, керамику, стекло и др. При пайке поверхности деталей очищают от окислов и обезжиривают с целью получения хорошей смачиваемости поверхности припоем качественного заполнения им зазоров. Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, электронагревом, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхности деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргон). Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении затвердевает, прочно соединении детали. Размер зазора в стыке определяет прочность соединения. При малом зазоре лучше проявляется эффект капиллярного течения припоя, процесс растворения материалов деталей в расплавленном припое распространяется на всю толщину паяного шва (прочность образующегося раствора на 30…60% выше прочности припоя). Размер зазора принимают 0,03…0,2 мм в зависимости припоя (легкоплавкий или тугоплавкий) и материала деталей. Припой с температурой плавления до 400 °С называют легкоплавкими. Наиболее широкое применение имеют оловянные-свинцовые, оловянно-свинцовые сурьмянистые припои (ПОС90, ПОС61). Эти припои не следует применять для соединений, работающих при температуре свыше 100 °С или подверженных действию ударных нагрузок. Припои с температурой плавления свыше 400 0С называют тугоплавкими (серебряные или на медной основе). Припой на медной основе (ВПр1, ВПр2) отличаются повешенной хрупкостью, их применяют для соединения деталей, нагруженных статической нагрузкой. Серебряные припои (ПСр40, ПСр45) применяют для ответственных соединений. Они устойчивы против коррозии и пригодны для соединения деталей, воспринимающих ударную и вибрационную нагрузки. Достоинством паяных соединении является возможность соединения разнородных материалов, стойкость против коррозии, возможность соединения тонкостенных деталей, герметичность, малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя. Пайка позволяет получать соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах конструкции. Недостатком пайки по сравнению со сваркой является сравнительно невысокая прочность, необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки, а также предварительной обработки поверхностей перед пайкой. Применение паяных соединений в машиностроении расширяется в связи с внедрением пластмасс, керамики и высокопрочных сталей, которые плохо свариваются. Пайкой соединяют листы, стержни, трубы и др. Ее широко применяют в автомобилестроении (радиаторы и др.) и самолетостроении (обшивка с сотовым промежуточным заполнением). Пайка является одни из основных видов соединений в радиоэлектронике и приборостроении. Расчет на прочность паяных соединений производят на сдвиг методами сопротивления материалов. Надо учитывать, что в нахлесточном соединении площадь расчетного сечения равна площади контакта деталей. Для нахлесточных соединений деталей из низкоуглеродистой стали, полученных оловянно- свинцовыми припоями (ПОС40), допускаемое напряжение на сдвиг [  ]с=60Н/мм2 .

44. По особенностям процесса и технологии пайку можно подразделить на капиллярную, диффузионную, контактно-реакционную, реакционно-флюсовую и пайку-сварку.

Капиллярной называется пайка, при которой припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями деталей и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Схема образования шва при капиллярной пайке приведена на рис. 177.

Эта разновидность пайки наиболее распространена. Во всех случаях, когда в паяном соединении имеется перекрытие элементов деталей (нахлестка), возможна капиллярная пайка. Следует отметить, что капиллярные явления присущи всем видам паяния, а в данном виде пайки они наиболее выражены.

Диффузионной называют пайку, отличающуюся длительной выдержкой в зоне необходимых температур с целью упрочнения соединения за счет диффузии компонентов припоя и паяемых металлов.

Рис. 1. Схема образования шва при капиллярной пайке: а — перед пайкой; б — после пайки

Контактно-реакционной называется пайка, при которой между соединяемыми металлами или между соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результате контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор й образует паяное соединение. Примером контактно-реакционной пайки при взаимодействии между паяемыми металлами является соединение меди с серебром без нанесения припоя. При нагреве до температуры’ пайки происходит контактное плавление соединяемых металлов с образованием сплава медь-серебро. Аналогичное взаимодействие может протекать между одним из соединяемых металлов и покрытием на втором или между соединяемыми металлами и фольгой третьего металла, вводимого в зазор между ними.

Реакционно-флюсовой называют пайку, при которой припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Реакционно-флюсовая пайка может осуществляться в двух вариантах: без введения припоя и с дополнительным введением его.

Примером реакционно-флюсовой пайки без введения припоя является пайка алюминия х флюсом, содержащим большое количество хлористого цинка. При пайке на соединяемые поверхности алюминиевых деталей наносят избыточное количество флюса. При нагреве между хлористым цинком и алюминием протекает реакция, в результате которой цинк становится припоем. Он осаждается на поверхности алюминия, затекает в зазор и соединяет паяемые детали.

Пайкой- сваркой называется пайка, при которой паяное соединение образуется способами, характерными для сварки плавлением, но в качестве присадочного материала применяется припой. Пайку-сварку обычно применяют при устранении поверхностных дефектов в литых деталях.

Рассмотренные виды пайки могут быть осуществлены различными способами в зависимости от используемых источников нагрева и оборудования. Наиболее распространенными способами пайки в настоящее время являются: пайка в печах, индукционная, сопротивлением, пайка погружением, радиационная, горелками и пайка паяльниками.

Пайка в печах обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без заметной деформации даже при их больших габаритах и сложной конструкции. Для пайки применяют печи электросопротивления, с индукционным нагревом и газопламенные. В настоящее время распространение получают также газовые печи с беспламенным горением.

Пайку крупногабаритных деталей проводят в камерных печах с неподвижным подом. Для массовой пайки сравнительно мелких деталей используют печи с сетчатым конвейером или роликовым подом. В этих печах для предохранения деталей от окисления и повышения качества пайки создают специальную газовую атмосферу.

Пайка в печах позволяет широко применить механизацию паяльных работ и обеспечить высокую производительность труда и стабильное качество паяных соединений.

Индукционная пайка выполняется путем нагрева деталей токами высокой, повышенной и промышленной частоты. В этом случае необходимое тепло выделяется за счет тока, индуктируемого непосредственно в подлежащих пайке деталях.

Различают две разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с перемещением индуктора или детали. В первом случае длина индуктора должна быть достаточной для нагрева всей зоны пайки, и, следовательно, мощность источника питания должна быть большой. Поэтому там, где это возможно, предпочтительнее пайка с перемещением паяемых деталей через неподвижный одновитковый индуктор. Схема индукционного нагрева приведена на, рис. 2, а.

Рис. 2. Индукционная пайка: а — схема индукционного нагрева при пайке (1 —оправка; 2— индуктор; 3—спаиваемые детали; 4—припой); б—многовитковый индуктор для пайки резцов; в—одновитковые индукторы

Пайка сопротивлением производится за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через паяемые детали и токопроводящие элементы. При этом соединяемые детали являются частью электрической цепи. Нагрев сопротивлением производится или на контактных машинах, аналогичных сварочным, или в электролитах. Пайка с нагревом на контактных машинах типа сварочных или в контактных клещах имеет большое распространение и применяется при изготовлении тонкостенных изделий из листового материала, а также при соединении тонкостенных элементов с толстостенными.

При пайке в электролитах тепловой эффект возникает за счет высокого электрического сопротивления водородной оболочки, образующейся вокруг паяемой детали (катода), погруженной в электролит. Пайка в электролитах пока еще применяется мало.

Пайка погружением выполняется путем нагрева деталей в ваннах с расплавами солей или припоев. При пайке в соляных ваннах нагрев может быть непосредственный и косвенный. При косвенном нагреве детали погружают непосредственно в расплавленные соли, выполняющие роль не только источника тепла, но и флюса. Преимущество этого способа — очень высокая скорость нагрева.

При панке в соляных ваннах с косвенным нагревом паяемую деталь, помещенную в контейнер со специальной газовой средой или вакуумом, погружают в соляную ванну. Такой способ пайки обеспечивает несколько меньшую скорость нагрева, но качество поверхности паяных деталей получается более высоким.

При нагреве в расплавленных припоях подготовленную к пайке деталь частично или полностью погружают в ванну с припоем. Этот способ пайки широко применяют при изготовлении автомобильных и авиационных радиаторов, твердосплавного инструмента, а также в радио- и электропромышленности.

Радиационный нагрев и пайка на его основе производятся за счет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера). Этот метод появился лишь в последние годы, он позволяет значительно сократить продолжительность пайки и использовать точную электронную аппаратуру для регулирования температуры и времени пайки.

При применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без использования искусственных газовых сред. Регулируя тепловложение при лазерной пайке, можно получать высококачественный спай. При радиационном способе пайки лучистая энергия лазера превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых деталях.

Пайка горелками выполняется с помощью местного нагрева паяемых деталей, а расплавление припоя осуществляется за счет тепла, выделяющегося в газовых горелках при сгорании углеводородов, в плазменных горелках за счет тепла плазменной струи и тепла электрической дуги косвенного действия. Эти источники нагрева различны по своей природе, но назначение их при пайке одинаковое.

Из перечисленных способов нагрева газовые горелки обладают наибольшей универсальностью. Применяя различные углеводороды в смеси с воздухом или кислородом, можно получить необходимые для пайки металлов температуры нагрева. Питание газовых горелок горючим газом производится от баллонов, газовой сети или от газового генератора.

Плазменные горелки дают более высокую температуру нагрева и поэтому могут быть перспективными для пайки таких тугоплавких металлов, как вольфрам, тантал, молибден, ниобий и др. Электрическая дуга находит в пайке ограниченное применение из-за сложности регулирования температуры нагрева паяемых деталей.

В течение многих лет для пайки используют паяльные лампы, которые по существу являются также газовыми горелками, работающими на жидком топливе. В массовом производстве они не употребляются, но их используют для нагрева и пайки при выполнении ряда слесарных работ, пайки в ремонтных мастерских и в полевых условиях.

Пайка паяльниками широко применяется в различных областях техники. При этом способе пайки нагрев основного металла и расплавление припоя осуществляются за счет тепла паяльника, который перед пайкой или в процессе пайки подогревается. В тех случаях, когда тепла в массе металла паяльника недостаточно, паяемую деталь предварительно или в процессе -Лайки подогревают посторонними источниками нагрева.

Паяльники делят на четыре группы: с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые и абразивные. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще применяют для флюсовой пайки черных и цветных металлов при температурах ниже 400 °С.

В ультразвуковых паяльниках колебания ультразвуковой частоты используют для разрушения окисной пленки на поверхности паяемого металла под слоем расплавленного припоя. Паяльники для ультразвуковой пайки могут быть с подогревателем и без подогревателя. Во втором случае для расплавления припоя используют посторонний источник нагрева. Основное преимущество ультразвуковых паяльников — возможность бесфлюсовой низкотемпературной пайки в атмосфере воздуха. Они нашли применение главным образом для пайки алюминия легкоплавкими припоями.

Абразивные паяльники, как и ультразвуковые, используют для облуживания алюминия и алюминиевых сплавов без флюса. Окисная пленка в этом случае удаляется в результате трения паяльником по облужи-ваемой поверхности. Основным достоинством этих паяльников по сравнению с ультразвуковыми является возможность лужения и пайки алюминия и алюминиевых сплавов без применения дорогостоящего оборудования.

Сравнивая рассмотренные способы пайки, необходимо отметить, что печная, индукционная пайка и пайка погружением являются наиболее высокопроизводительными технологическими процессами. Они могут быть легко механизированы и автоматизированы. Поэтому им следует отдать предпочтение, особенно в массовом и крупносерийном производстве.

45. Клеевые соединения В настоящее время все шире применяют неразъемные соединения металлов и неметаллических материалов, получаемые склеиванием. Это соединения деталей неметаллическим веществом посредством поверхностного схватывания и межмолекулярной связи в клеящем слое. Наибольшее применение получили клеевые соединения внахлестку (рис.17), реже — встык. Клеевые соединения позволили расширить диапазон применения в конструкциях машин сочетаний различных неоднородных материалов — стали, чугуна, алюминия, меди, латуни, стекла, пластмасс, резины, кожи и т. д. Рис.17. Клеевое соединение внахлестку Применение универсальных клеев типа БФ, ВК, МПФ и других (в настоящее время употребляют более ста различных марок клеев) позволяет довести прочность клеевых соединений до 80% по отношению к прочности склеиваемых материалов. Наибольшее применение в машиностроении клееные соединения, работающие на сдвиг. Оптимальная толщина слоя клея 0,05…0,15 мм. На прочность клееных соединений влияют характер нагрузки, конструкция соединения, тип и толщина слоя клея (при увеличении толщины прочность падает), технология склеивания, и время (с течением времени прочность некоторых клеев уменьшается). Достоинства и недостатки клеевых соединений. Достоинства: - простота получения неразъемного соединения и низкая стоимость работ по склеиванию; - возможность получения неразъемного соединения разнородных материалов любых толщин; - отсутствие коробления получаемых деталей; - герметичность и коррозионная стойкость соединения; - возможность соединении очень тонких листовых деталей; - значительно меньшая, чем при сварке, концентрация напряжений; - высокое сопротивление усталости; - малая масса. Недостатки: - сравнительно невысокая прочность; - неудовлетворительная работа на неравномерный отрыв; - уменьшение прочности соединения с течением времени («старение»); - низкая теплостойкость большинства марок клеев. Область применения. Клеевые соединения широко применяют в самолетостроении, при изготовлении режущего инструмента, электро- и радиооборудования, в оптической и деревообрабатывающей промышленности, строительстве, мостостроении. В настоящее время созданы некоторые марки клеев на основе полимеров, удовлетворительно работающих при температуре до 1000°. Клеевыми соединениями создают новые конструкции (сотовые, слоистые), отдельные зубчатые колеса соединяют в общий блок, повышают прочность сопряжения зубчатых венцов со ступицами, ступиц с валами, закрепляют в корпусе неподвижное центральное зубчатое колесо планетарной передачи, наружное кольцо подшипника качения, стопорят резьбовые соединения, крепят пластинки режущего инструмента и др. Расчет клеевых соединений на прочность. Соединения внахлестку. При действии растягивающей или сжимающей силы F (рис. 17) расчет производят на сдвиг (срез) по формуле сд сд сд A F    [ ] , (10) где сд  и сд [ ] — расчетное и допускаемое напряжения на сдвиг; сд [ ] = 10 ÷ 25 МПа для карбонильного клея, сд [ ] = 4,5 ÷ 7,0 МПа для клея группы БФ; F — нагрузка, действующая на соединение; Асд — площадь сдвига (среза).

43 Сварным соединением называется не­разъемное соединение, выполненное сваркой, состоящее из двух деталей и соединяющего их сварного шва.

ГОСТ 5264—80 устанавливает ос­новные типы, конструктивные элемен­ты и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железо­никелевой и никелевой основах, вы­полняемых ручной дуговой сваркой металлическим электродом при тол­щине свариваемого металла до 175 мм. Установлены слудующие типы соединений: стыковые — условное

обозначение С, нахлесточные — Н, тавровые — Ти угловые — У.

Стыковые соединения — самые ти­пичные сварные соединения, в кото­рых торцы или кромки соединяемых деталей располагаются так, что по­верхность одной детали является про­должением поверхности другой дета­ли. Стыковые соединения без скоса свариваемых кромок применяют при соединении листов толщиной до 12 мм. Кромки листов срезают под прямым углом к плоскости листа и при сварке располагают с зазором 1 ... 2 мм. Листы толщиной до 4 мм сваривают односторонним швом, 2... 12 мм — двусторонним швом. Стыковые соеди­нения с V-образной разделкой кромок применяют при сварке металла тол­щиной 3 ... 60 мм. При этом разделка кромок может быть одно - и двусто­ронней. Для толщин металла 15 ... 100 мм применяют V-обр. азную разделку шва с криволинейным скосом одной или обеих кромок. Стыковые соеди­нения с X - и К - образной разделкой кромок применяют при сварке металла толщиной 8... 175 мм. При этом рас­ход электродного металла, а отсюда и электроэнергии почти вдвое меньше, чем при V-образной разделке кромок. Кроме того, такая разделка обеспечи­вает меньшую величину деформаций после сварки. При V - и Х-образной разделках кромки притупляют, чтобы предотвратить прожог металла при сварке.

-SL

Рис. 39

Нахлесточные соединения широко применяют при изготовлении различ­ных строительных конструкций — ко­лонн, мачт, ферм и др. Один элемент соединения накладывается на другой. Величина перекрытия должна быть не менее удвоенной суммы толщин сва­риваемых кромок изделия. Сваривае­мые поверхности не обрабатывают (не считая зачистку кромок). Листы при сварке заваривают с обеих сторон, чтобы не допустить проникновения влаги в зазор между свариваемыми листами.

Тавровые соединения — соедине­ния, при которых торец одного эле­мента примыкает к поверхности дру­гого элемента свариваемой конструк­ции под некоторым углом (чаще всего под прямым). В зависимости от наз­начения соединения и толщины ме­талла элементов конструкции сварка может быть осуществлена без скоса, с одно - и двусторонним скосом кро­мок элементов соединения. Для полу­чения прочного шва зазор между свариваемыми элементами составляет 2 ... 3 мм.

Угловые соединения осуществляют при расположении свариваемых эле­ментов под прямым или произволь­ным углом и сварка выполняется по кромкам этих элементов с одной или с обеих сторон. Угловые соеди­нения применяют при сварке различ­ных коробчатых изделий, резервуаров и емкостей.

в)

Сварные швы подразделяют по следующим признакам: по положению относительно действующей силы (рис. 39) — на фланговые (а), лобо­вые (б) и косые (в); по положению в пространстве (рис. 40) — на ниж­ние (а), горизонтальные (б), верти­кальные (в) и потолочные (г); по внешней форме (рис. 41) — на выпук­лые (а), нормальные (о) и вогнутые (в); по протяженности (рис. 42) — на непрерывные или сплошные (а) и прерывистые (б).

Выпуклые швы имеют большее се­чение и поэтому называются усилен­ными. Однако большая выпуклость для швов, работающих при знако­переменных нагрузках, вредна, так как вызывает концентрацию напряжений в местах перехода от шва к поверхности основной детали. Вогнутые швы, ос­лабленные, применяют, как правило, в угловых соединениях; в стыковых сое­динениях они не допускаются. Нор­мальные швы по сечению соответству­ют расчетным и приняты как основ­ной вид сварного шва. Прерывистые швы применяют в том случае, если шов неответственный (сварка ограж­дений, настила и др.) или если по прочностному расчету не требуется сплошной шов. Их применяют в целях экономии материалов, электро­энергии и труда сварщика. Длину I провариваемых участков прерывис­того шва принимают 50... 150 мм, а промежутки девают примерно вдвое больше. Расстояние от начала предыдущего шва до начала после­дующего шва называют шагом шва t.

Основные типы сварных швов: стыковые и угловые. Стыковые швы — это швы стыковых соединений. Угло-

а)

ih40

.вые швы, называемые также Вали­ковыми, — это швы угловых, тавровых и нахлесточных соединений. ГОСТ 2.312—72 ЕСКД устанавливает услов­ные изображения и обозначения свар­ных соединений в конструкторских документах изделий. Условное обоз­начение шва наносят на полке линии-выноски, проведенной от изоб­ражения шва с лицевой стороны, и под полкой линии-выноски, проведенной от изображения шва с оборотной сто­роны. На рис. 43 показан пример обозначения шва стыкового соедине­ния с криволинейным скосом одной кромки, двустороннего, выпол­няемого ручной дуговой сваркой при монтаже изделия. Уснленне снято с обеих сторон. Шероховатость поверх­ности шва с лицевой стороны — Rz20, а с оборотной стороны — #г40.

.

Прочность сварных соединений — это свойство, не разрушаясь, воспринимать определенные нагрузки в тех или иных заданных условиях. При этом учитывают как рабочие, так и предельные нагрузки. Под рабочими нагрузками понимают суммарные напряжения, возникающие от собственного веса, внешних нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации, и собственных напряжений, создающихся при сварке, сборке и т.д.

Предельными считаются нагрузки, когда наступает текучесть в основном сечении, возникшая под действием статических, повторно-переменных и динамических сил. При этом возникают максимально допустимые повреждения или деформации, за которыми следует потеря эксплуатационной способности конструкции. При расчете несущей способности сварочного шва ориентируются на допустимое напряжение в наиболее опасном сечении элемента «s» и допустимое напряжение, составляющее некоторую часть от предела текучести «нвэ». При этом обязательно должно выдерживаться соотношение: HSЭ i s. При таком соотношении элемент конструкции удовлетворяет требованиям прочности. Для большей уверенности применяют коэффициент запаса прочности «п», который гарантирует не наступление текучести и для низкоуглеродистых сталей лежит в пределах 1,35 - 1,50, a HSЭ = 160 Мпа.

Допустимое напряжение в наиболее опасном сечении «s» определяют по формуле:

Где F — площадь поперечного сечения элемента, а N — осевое усилие, прикладываемое к нему.

Говоря о прочности сварочного соединения, не следует забывать о его пористости и трещинах, оказывающих значительное влияние на этот показатель. Поры в сварочном шве возникают при выделении газов в процессе кристаллизации металла. Как правило, это азот, водород или окись углерода, получаемые в результате химических реакций. Но поры в сварочном шве могут возникать не только от газов. Это явление случается при повышенной тугоплавкости, вязкости и плотности шлаков, которые не покидают пределы сварочного шва.

Поры могут быть внутренними или наружными, располагаться по оси шва или на его границах, форма их может быть округлая, овальная или более сложная, а их размеры могут колебаться от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Уменьшению пористости сварочного шва способствует предсварочная подготовка, которая заключается в тщательной зачистке сварного соединения от грязи, масел, ржавчины и прочих посторонних включений. Борются с пористостью при помощи правильно подобранных режимов сварки, защитными покрытиями и флюсами, вводимыми в сварочную ванну.

Трещины в массиве шва и околошовной зоны могут быть холодными и горячими. Горячие трещины (рис.1) возникают в процессе кристаллизации жидкой фазы металла.

Рис. 1 Наличие горячих трещин в сварных соединениях: 1 —2 —3 — поперечные трещины шва и зоны вокруг него в материале; 4 —5 — трещины продольные

Этому явлению способствуют линейные сокращения металла, возникающие в результате внутренних напряжений. Размеры и направление горячих трещин могут быть самыми различными и зависят от соответствия материала, электродов и режимов сварки.

Для определения этого соответствия сначала сваривают пробный образец, который подвергают тщательному анализу. Наличие трещин может определяться визуально под увеличением, а ответственные детали подвергают просветке или облучению.

Холодные трещины чаще всего имеют микроскопический характер и возникают при температурах не более 200°С. Причинами появления холодных трещин может быть хрупкость металла при быстром его охлаждении, остаточные напряжения в сварных соединениях или повышенное содержание водорода.

Коррозия сварных соединений снижает прочность шва и его долговечность. В связи с большими структурными изменениями сварных соединений они обладают большей коррозийной активностью по сравнению с основным металлом. Коррозия может быть общей и местной.

При общей коррозии поражается вся поверхность металла, что свидетельствует о его низкой коррозийной стойкости. Местная коррозия проявляется в наличии отдельных ржавых пятен, точек. Она может быть как поверхностная, так и межкристаллитная.

Наиболее опасна межкристаллитная коррозия, которая проникает вглубь зерен, не разрушая их. Наиболее характерные коррозийные разрушения сварного соединения показаны на рис.2.

Избежать этого опасного явления помогает правильный подбор материалов, сварочных электродов,  применение защитных покрытий и замедлителей, которые наносят на поверхность металла или в коррозионную среду. Хорошие результаты дает применение сварочной проволоки с высокой коррозийной стойкостью. При сварке такой проволокой получается шов с большей коррозийной стойкостью, чем основной металл. На коррозийную активность сварочного шва оказывают влияние и выбранные режимы сварки.

Рис.2.  Коррозионные разрушения при сварке: А — общая коррозия:  1 — равномерное распределение; 2 — шовная коррозия; 3 — интенсивная коррозия всего металла; 4 — ржавчина в зоне термического влияния; Б — местная коррозия: 1 — коррозия в термической зоне (межкристалитная); 2 — шовная коррозия; 3 — коррозия в зоне сплавления; 4 — точечная коррозия; В — усталость (коррозийное вытрескивание)

Понятие о расчете швов на прочность

При расчете сварных соединений на прочность в первую очередь необходимо знать площадь поперечного сечения сварного шва. Перемножая толщину сварного шва на его длину, получим площадь поперечного сечения сварного шва. При растяжении допускаемое усилие в сварном соединении определяется по следующей формуле:

Р = σр •S •  l.

При сжатии

P = σсж •S • l,

где l — длина шва; S — толщина соединяемых элементов; σр— допускаемое напряжение в сварном шве при растяжении; σсж — допускаемое напряжение в сварном шве при сжатии.

При расчете на прочность нахлесточного соединения применяют следующую расчетную формулу:

P = τср • 0,7K • l,

где P —допускаемое усилие: τcр—допускаемое напряжение наплавленного металла  при   срезе; К —длина катета; l — длина сварного шва. 

42. Шпоночное соединение – один из видов соединений вала со втулкой, в котором использован дополнительный конструктивный элемент (шпонка), предназначенный для предотвращения их взаимного поворота. Чаще всего шпонка используется для передачи крутящего момента в соединении вала с зубчатым колесом или со шкивом, неподвижных по отношению друг к другу.

Однако возможны и другие соединения (подвижные), например, такие, в которых зубчатое колесо (блок зубчатых колес), полумуфта или другая деталь могут перемещаться в осевом направлении, а шпонка вместе с валом служит направляющей продольного перемещения и передает крутящий момент. Длинные направляющие шпонки обычно крепят к валу винтами.

Шпонки в подвижных соединениях могут быть закреплены на втулке и служат для передачи крутящего момента или для предотвращения поворота втулки в процессе ее перемещения вдоль неподвижного вала, как это сделано у кронштейна тяжелой стойки для измерительных головок типа микрокаторов. В этом случае направляющей является вал со шпоночным пазом.

В отличие от соединений «вал – втулка» с натягом, которые обеспечивают взаимную неподвижность деталей без дополнительных конструктивных элементов, шпоночные соединения являются разъемными. Они позволяют осуществлять разборку и повторную сборку конструкции с обеспечением того же эффекта, что и при первичной сборке. Поперечное сечение шпоночного соединения с призматической шпонкой представлено ниже.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. Сечение шпоночного соединения с призматической шпонкой

Для размещения шпонки необходимы соответствующие конструктивные элементы (в данном случае – пазы) на валу и во втулке. На поперечном сечении шпоночного соединения показаны три посадки: центрирующее соединение вал – втулка (Ø20 Н7/js6) и два соединения по ширине шпонки: шпонка – паз вала (6 N9/h9) и шпонка – паз втулки (6 Js9/h9).

В размерной цепи по высоте шпонки специально предусмотрен зазор по номиналу (суммарная глубина пазов втулки и вала больше высоты шпонки). Если призматическую шпонку с закругленными торцами закладывают в глухой паз на валу, по длине шпонки образуется соединение с нулевым гарантированным зазором Н15/h14 (на рисунке не показано).

Точность центрирования деталей в шпоночном соединении обеспечивается посадкой втулки на вал. Это гладкое цилиндрическое соединение, которое можно назначить с очень малыми зазорами или с небольшими натягами, следовательно, предпочтительно использование переходных посадок.

По форме шпонки разделяются на призматические, сегментные, клиновые и тангенциальные. Сегментные и клиновые шпонки обычно используют в неподвижных соединениях. Призматические шпонки дают возможность получать как подвижные, так и неподвижные соединения. Основные размеры, характеризующие призматическое шпоночное соединение, показаны ниже.

Размеры сечений шпонок и пазов стандартизованы и выбираются по соответствующим стандартам в зависимости от диаметра вала, а вид шпоночного соединения определяется условиями его работы. В стандартах на шпонки некоторых видов предусмотрены разные исполнения, например, призматические шпонки с двумя закругленными торцами, с одним закругленным торцом и с незакругленными торцами, сегментные шпонки «полные» и со срезанным краем сегмента.

Рис. Основные размеры соединения  c призматической шпонкой, где

h – высота шпонки; t1 – глубина паза вала; t2 – глубина паза втулки;

 b – ширина шпонки и пазов втулки; d – диаметр сопряжения;

l – длина шпонки и паза вала

Длины призматических шпонок l по ГОСТ 23360-78 «Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шпоночные с призматическими шпонками. Размеры шпонок и сечений пазов. Допуски и посадки» выбирают из ряда: 6, 8, 10, 12, 14, 16,