книги из ГПНТБ / Заплетохин, В. А. Соединения деталей приборов [пособие]

Г Л А В А I

Н Е Р А З Ъ Е М Н Ы Е С О Е Д И Н Е Н И Я

§ 1. СОЕДИНЕНИЯ ЗАПРЕССОВКОЙ

Соединения запрессовкой представляют собой неразъемные соеди­ нения деталей за счет напряженного состояния материалов в месте контакта. Они в основном применяются для цилиндрических деталей и в общем случае состоят из двух деталей: охватываемой (вала) и охватывающей (детали с отверстием).

Перед сборкой соединения диаметр охватываемой детали больше диаметра охватывающей.. Благодаря разности диаметров на сопря­ женных поверхностях создается напряженное состояние. Достоинст­ вом соединений запрессовкой является простота выполнения. Сборка соединений может производиться под прессом, нагревом охватываю­ щей детали или охлаждением охватываемой. Если соединение осу­ ществляется под прессом, то на валу предусматривают разжимающий конус (рис. 1 и 3), чтобы вал в процессе сборки не срезал материал отверстия.

Запрессовку используют для соединения металлических деталей между собой, а также для соединения металлических детали! с дета­ лями из эбонита, текстолита, фибры и других неметаллических мате­ риалов.

Соединения запрессовкой предназначены для передачи осевых усилий, направленных вдоль оси вала, крутящего момента или сов­ местного действия осевого усилия и крутящего момента. Под проч­ ностью соединений запрессовкой понимают их способность сопротив­ ляться действию нагрузок, стремящихся сместить одну деталь отно­ сительно другой.

Запрессовка на гладких поверхностях обеспечивает лучшее цен­ трирование соединений деталей. Практически точность данного вида соединений равна точности цельноизготовленной детали. При запрес­ совке на накатку трудно обеспечить соосность соединенных деталей. Однако при малых размерах деталей запрессовка на гладких поверх­ ностях менее экономична, так как требует высокой точности размеров и высокого класса чистоты поверхности. Чистота обработки поверх­ ностей на накатке может быть значительно ниже.

10

Недостатками прессовых соединений являются повышенная кон­ центрация напряжений в месте контакта поверхностей и трудность контроля качества соединения.

П р о ч н о с т ь с о е д и н е н и й з а п р е с с о в к о й на г л а д ­ к и х ц и л и н д р и ч е с к и х п о в е р х н о с т я х . Прочность собран­ ного соединения зависит от величины натяга б, т. е. разности между

В результате сборки на сопряженных поверхностях (рис. 2) со­ здается удельное давление р, которое определяется по формуле

где d — номинальный диаметр сопряженных поверхностей; Е\ и —

модули упругости охватываемой и охватывающей деталей соответст­

где p-i и Ц2 — коэффициенты Пауссона.

Т а б л и ц а 1

Коэффициенты Сi и С2 (при коэффициентах Пауссона M-i = pi2=0,3)

И

Если на соединение действует усилие Q, направленное вдоль оси,

то неподвижность соединения обеспечивается условием

где F — сила трения, возникающая на контактируемых поверхностях.

Сила трения определяется в данном случае по формуле

(обычно Z= l-h l,5 d); f — коэффи­

циент трения.

Из уравнений (1.01), (1.02)

и (1.03) можно определить расчет­ ную величину натяга, обеспечи­

Если на соединение действует крутящий момент Л/Кр, тогда не­ подвижность соединения можно обеспечить при условии

2М кр

<F. (1.05)

Расчетная величина натяга при действии крутящего момента со­ гласно (1.04) и (1.05) равна

При совместном действии осе­ вой силы и крутящего момента

условие неподвижности соединения будет

и расчетная величина натяга согласно (1.04) и (1.07) определяется следующим выражением:

12

Полученное расчетное значение натяга необходимо увеличить, так как имеющиеся неровности на поверхности при запрессовке сглажи­ ваются:

где h\ и hi — высоты неровностей сопрягаемых поверхностей, значе­

ния которых выбираются по ГОСТ 2789—59 на шероховатость поверхности.

По величине натяга бп подбирают стандартную прессовую по­ садку (Гр, Пр или Пл), у которой наименьшее значение натяга долж­ но быть равно или несколько больше бп.

Для сборки прессового соединения с помощью нагрева или охлаж­ дения необходимая разность температур деталей определяется по формуле

где 6о — минимально необходимый зазор при сборке; а — коэффи­ циент линейного расширения детали.

Рис. 3.

П р о ч н о с т ь с о е д и н е н и й з а п р е с с о в к о й на н а к а т - к у. Накатку обычно делают на детали из более твердого материала, чаще всего на валу. В процессе накатки при выдавливании зубцов накатными роликами первоначальный диаметр вала dB увеличивается до D (рис. 3). Увеличение диаметра вала после накатывания поверх­

делают несколько больше диаметра окружности впадин зубцов. Соединения запрессовкой на накатку предназначены в основном

для передачи крутящих моментов, так как их прочность при дейст­ вии осевых усилий невелика. При действии крутящего момента про­ ворачивание запрессованного вала в отверстии возможно в случае среза зубцов по диаметру do или среза материала насаженной детали по диаметру D.

13

Уравнение прочности на срез зубцов вала (рис. 4) будет

2AfKp

b = {D — d0) tg - |- .

Поскольку для накатанного зуба обычно р = 60°, то

у Т

Ь= — 3— (D - d0).

Если число зубцов выразить через z = — , то из уравнения (1.11)

можно определить требуемую длину накатанной части вала I при

заданном крутящем моменте:

где [т]в — допускаемые напряжения на срез для материала вала. Уравнение прочности на срез вершинами зубцов материала наса­

женной детали будет

2-Мкр

14

Площадь среза в данном случае определяется из зависимости

Отсюда требуемая длина рабочей части накатки равна

2МКр

где [т] д — допускаемые напряжения на срез материала насаженной детали.

Большее из двух значений рабочей длины накатки, полученных по уравнениям (1.12) и (1.15), следует принять в конструкцию.

Если деталь имеет ширину меньше требуемой рабочей длины накатки, то увеличивают только длину посадочной части этой детали (рис. о,а). При запрессовке рычага из тонколистового материала на

накатанную ось для увеличения рабочей части накатки конец рычага изгибают (рис. 5,6) или насаживают на ось с помощью промежуточ­ ной втулки (рис. 5,в), с которой рычаг соединяется пайкой или сваркой.

Если на соединения действует усилие, направленное вдоль оси, то на валу необходимо предусмотреть бурт, воспринимающий это усилие. Для обеспечения плотного прилегания бурта к плоскости детали у торца бурта делают выточку (рис. 5,г).

Чтобы избежать несоосности соединения и повысить его точность, применяют направляющую цапфу, входящую в отверстие при запрес­ совке по скользящей посадке, или протачивают в центрах уже со­ бранное соединение.

Пример 1. Определить посадку и требуемый класс точности для соединения вала с зубчатым колесом, передающим крутящий момент М к0 = 5 Н -м. Обработка отверстия колеса — развертывание тонкое

( V8) , поверхности вала — шлифование тонкое (V 10). Вал изготав­ ливается из стали 5 (модуль упругости E\ — 2,i • 104 кГ/мм2 = 206 ГПа,

прессом. Из приложения 1 выберем значение коэффициента трения

/ = 0,08.

15

Из таблицы 1 по отношениям диаметров

=4,7 • 10—0 м = 4,7 мкм.

Сучетом класса чистоты сопрягаемых поверхностей из приложе­ ния 2 определим высоты неровностей /гх =0,8 мкм и h2 = 3,2 мкм.

Наименьшее допустимое значение натяга определим по формуле (L09)

По величине бп= 9,5 мкм выберем стандартную посадку прессовую 2-ю по 3-му классу точности 0 1 0 А3/Пр23, у которой предельные от­ клонения для отверстия 01О +О,ози ва­ л а ^ 10 °0§ .

Наименьшее значение натяга стандартной посадки

omjn = 40 — 30 = 10 мкм > 9,5 мкм.

Пример 2. Определить необходимую рабочую длину накатки для соединения зубчатого колеса из латуни Л62 с валом из стали 5. Но­ минальный диаметр вала 10 мм. Соединение должно передавать кру­ тящий момент Мкр = 5 Н • м.

Р е ш е н и е . Поскольку твердость стали 5 выше твердости лату­ ни Л62, то накатывание поверхности необходимо произвести на валу. Из приложения 4 определим рекомендуемый шаг накатки t = 0,5 мм

Расчет произведем с учетом неблагоприятных для прочности со­ единения сочетаний диаметров, т. е. когда диаметр накатанной части вала будет выполнен с нижним предельным отклонением

(Z> —10,125 мм), а отверстие с верхним (do= 10,l мм).

Выберем допускаемые напряжения среза для материалов деталей соединения из условия [т]ср = 0,3 от, где ат — предел текучести. Для латуни Л62 цх =14,2 кГ/мм2 = 140 МПа, для стали 5 ат = 28 кГ/мм2= = 274 МПа. Допускаемые напряжения для охватывающей детали

[т]д = 0,3 ст = 0,3 • 140 = 42 МПа,

16

для охватываемой

[ т ] в = 0,3 ат = 0,3 • 274 = 82 М П а .

Определим требуемую рабочую длину накатанной части вала из условия среза зубцов по формуле (1.12)

1,1 М кр t

l > d0 D{ D - d 0)[z]B =

1,1 • 5 • 0,5 • Ю-з

— 10,1 • Ю-з . ю,125 • 10—а (10,125 • 10—з — 10,1 • 10~з) ■82 • 10« “ 13,1 ' 10 3 м<

Определим рабочую длину накатанной части вала из условия среза материала зубчатого колеса по формуле (1.15)

§ 2. СОЕДИНЕНИЯ ЗАФОРМОВКОЙ

Заформовка — неразъемное соединение деталей, осуществляемое погружением детали в жидкий или размягченный материал с после­ дующим затвердеванием. Заформовка и затвердевание производятся, как правило, в специальных пресс-формах или литейных формах.

Заформовку применяют для соединения металлических деталей с металлами, стеклом, пластмассами и резиной, когда требуется при­ дать отдельным элементам деталей специальные свойства (электро­ изоляционные, теплоизоляционные, антифрикционные и т. п.).

Большим достоинством заформовки является то, что не требуется изготовление мест сопряжения детали, подлежащей заформовке, по посадочным размерам. Соединения, полученные заформовкой с по­ мощью пресс-форм или литейных форм, не требуют дополнительной механической обработки, за исключением снятия грата. Точность соединений заформовкой определяется погрешностями изготовления пресс-форм или литейных форм, величиной усадки формообразующе­ го материала, а также короблением заформовываемой детали. При правильном конструировании соединения указанные факторы не дают отклонения свыше 5-го класса точности.

Заформовка позволяет получить соединения деталей сложных геометрических форм.

Недостатком соединений заформовкой является чувствительность к температурным изменениям, поэтому при выборе материалов необ­ ходимо учитывать их коэффициенты линейного расширения. Если коэффициент линейного расширения формообразующего материала больше коэффициента линейного расширения материала заформовы­ ваемой детали, то при повышении температуры в местах сопряжения „■

и

появиться трещины. Поэтому при частых и резких изменениях тем­ пературы соединения заформовкой не применяют или применяют в том случае, если значения коэффициентов линейного расширения материалов соединяемых деталей равны.

Если соединение заформовкой получается в специальных формах, то необходимо для облегчения удаления готового изделия предусмат­ ривать конусность у стенок деталей. Следует избегать неравномер­ ных толщин стенок и острых углов, так как при затвердевании дета­ лей возможно появление трещин и коробления.

При заформовке металлических деталей в металл применяют

литье под давлением или литье в песчаные формы. Температура плавления материала детали должна быть выше температуры плав­ ления формообразующего материала. С помощью литья можно про­ изводить соединение металлических деталей с отливками из чугуна, стали, силумина, латуни, бронзы и других литейных материалов. Усадка материала при остывапии обеспечивает прочное соединение деталей.

Заформовка металлических деталей в металл производится с целью придания высокой прочности детали только в том месте, где возникают максимальные напряжения. Например, в легкое коро­ мысло обычных рычажных весов заформовывают нож из высокопроч­ ной стали, острие которого передает при работе весов всю нагрузку

(рис. 1,а).

При изготовлении постоянных магнитов из сплавов высокой твер­ дости, допускающих только шлифование, применяют заливку пробок из мягкой стали, в которых затем нарезают резьбовые отверстия для крепления магнитов (рис. 7,6). С целью предохранения от провора­ чивания пробок отверстия в магните делают фигурными.

Медные и латунные пластины, хорошо соединяемые пайкой, ино­ гда заформовывают в отливках из легких сплавов, плохо поддающих­

18

ся пайке, чтобы обеспечить возможность пайки данной отливки. Для повышения прочности соединения в пластинах делают отверстия или вырезы (рис. 1,в, г), которые в процессе заформовки заполняются

литейным материалом.

В литой корпус из силумина иногда заформовывают стальные резьбовые шпильки (рис. 7,<9), в этом случае на гладком стержне делают насечки зубилом.

Заформовку металлических деталей в стекло широко применяют

при изготовлении химической аппаратуры, ламп накаливания, радио­ ламп и других электровакуумных изделий. Вследствие хрупкости стекла весьма важно, чтобы коэффициенты линейного расширения металлической детали и стекла были близки по своему значению.

Хорошим материалом для заформовки в стекло является платина (коэффициент линейного расширения стекла 9 • 10_6 1/°С, платины —

Обычно заформовку производят путем обжатия размягченной стекломассы на металлической детали так, чтобы стекломасса плот­ но охватывала деталь. Поверхность металлической детали должна хорошо смачиваться размягченным стеклом.

На рис. 8,а показано положение токопроводящих проводников в цилиндрической части стеклянной колбы лампы накаливания перед заформовкой, а на рис. 8,6 — после обжатия стекломассы. Стеклян­

ные трубки с металлическими соединяют с помощью промежуточных деталей. Сначала на конической части трубки из платинита обжи­ мают стекломассу в виде фланца (рис. 8,в), а затем к стеклянному фланцу приваривают стеклянную трубку, а к платинитовой — сталь­ ную (рис. 8, г).

Заформовка широко применяется для соединения металлической арматуры с пластмассами. При этом используют специальные пресс-

материалы, состоящие из размельченного наполнителя и связующего вещества, которое становится жидким при нагревании. Нагрев и за­ формовка происходит в металлических разъемных пресс-формах. Применяют пресс-материалы общего назначения, обладающие

19