MEHANIKA

защиты зоны соединения от воздуха применяют сварку под флюсом (т.е. применяют химикаты, например, буру, борную кислоту, хлориды и фториды, в которых растворяются оксиды, образующиеся на свариваемых поверхностях), в среде инертных газов (аргона или гелия), в углекислом газе и в вакууме.

Электрошлаковая сварка применяется для соединений массивных деталей (элементов корпусов толстостенных аппаратов, станин) толщиной до 1000 мм и более. Теплота выделяется при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Газовая сварка происходит при оплавлении материала деталей и прутка присадочного металла высокотемпературным газовым пламенем при сгорании ацетилена в кислороде. Она применяется для сварки деталей малых толщин – при толщине деталей более 8 мм газовая сварка становится неэкономичной. Горячими газами, например, воздухом сваривают пластмассовые элементы оборудования.

Плазменная сварка – осуществляется за счет энергии плазмы. Это один из самых высокопроизводительных и экономичных способов сварки, широко применяющийся для высокоточной сварки и резки массивных деталей.

Электронно-лучевая сварка основана на превращении кинетической энергии движущихся в вакууме (остаточное давление порядка 10 – 0,1 мПа) электронов в тепло при бомбардировке ими поверхности металла. Данный вид сварки обеспечивает высокую точность, а также значительную глубину проплавления по отношению к ширине шва (20:1 и более), применяется при соединении деталей очень малых и очень больших толщин из тугоплавких материалов, допускает сварку в труднодоступных местах, например, через щели. При помощи лазерной сварки можно соединять керамические, а также разнородные материалы.

Сварка давлением. Сварка давлением основана на сближении соединяемых поверхностей на межатомные расстояния в результате пластической деформации материалов, создаваемой сжимающей силой. Наиболее распространены такие типы сварки давлением, как контактная сварка и сварка трением. Реже в машиностроении используется ультразвуковая сварка, сварка взрывом, диффузионная сварка, холодная, магнитноимпульсная и т.д.

Контактная сварка осуществляется при сжатии деталей электродами с одновременным включением тока. Поскольку электрическое сопротивление стыка «электрод-деталь» примерно в два раза меньше сопротивления стыка «деталь-деталь», то происходит нагрев и сваривание только сжатых деталей. Различают точечную, шовную и стыковую контактную сварку. При точечной сварке тонкостенные детали соединяют внахлестку. Так как высокие температуры действуют на небольших участках, коробление соединяемых деталей отсутствует. Шовную сварку осуществляют вращающимися роликовыми электро-

171

дами, при этом получается непрерывный сварной шов. При стыковой сварке соединяемые детали сжимают, и при прохождении тока в зоне контакта выделяется большое количество теплоты. Этим способом соединяют стержневые детали различных сечений (круг, квадрат, уголок и пр.), толстостенные трубы. Недостатком стыковой сварки является изменение длины детали за счет брызг и выдавливания расплавленного металла.

Сварка трением осуществляется за счет теплоты, выделяющейся в месте контакта прижатых друг к другу и вращающихся друг относительно друга деталей. Эта разновидность сварки применяется для соединения частей составных валов, в том числе деталей из разнородных металлов и сплавов.

Классификация сварных швов и соединений. В зависимости от взаимного расположения деталей различают следующие виды сварных соединений: стыковые (рис. 51, а), нахлесточные (рис. 51, б), угловые (рис. 51, в), тавровые (рис. 51 г). Швы могут быть односторонними (рис. 51, а, в) и двусторонними (рис. 51, б, г). Сварные швы нахлесточных, угловых и тавровых соединений называют угловыми, а стыковых соединений – стыковыми. Угловые и стыковые швы рассчитываются на прочность по различным методикам. Сварные швы и соединения стандартизованы.

Рисунок 51

В зависимости от расположения шва относительно направления действующей нагрузки швы делят на фланговые (рис. 52, а), лобовые (рис. 52, б) и косые (рис. 52, в). Сочетание фланговых, лобового и

Рисунок 52

косого швов в одном соединении называют комбинированным швом. 2) Соединения пайкой получили широкое распространение в

различных отраслях машиностроения и в ряде случаев вытесняют сварку. Важным преимуществом пайки является сохранение формы и

172

спаем. Один спай образуется при лужении, т.е. при покрытии поверхности металла тонким слоем расплавленного припоя. В качестве припоев используют чистые металлы и сплавы (всего 26 подгрупп). В зависимости от температуры плавления они подразделяются на три группы: легкоплавкие или мягкие (до 300 С), среднеплавкие (от

300 С до 1000 С), тугоплавкие (свыше 1000 С). Чаще всего в машиностроении применяют оловянно-свинцовые, серебряные, латунные припои. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей используют специальные флюсы на основе канифоли, буры, хлористого цинка и др. Пайка, как вид соединения менее универсальна, чем сварка.

3) Соединения адгезивами (т.е. клеями) – получили широкое распространение благодаря появлению разнообразных полимерных клеящих составов, позволяющих соединять практически все материалы промышленного назначения в любом сочетании. К соединениям за счет адгезии (от лат. adhaesio – прилипание) относятся соединения клеями, герметиками, замазками. Клеевые швы не ослабляют детали, не коррозируют, обеспечивают герметичность соединения. Основными недостатками клеевых соединений являются старение со временем и невысокая теплостойкость (рабочая температура не выше 300 С). Прочность клеевого соединения, также как и паянного пропорциональна площади соединения.

4) Соединения заформовкой – соединение, которое осуществляется погружением детали в жидкий или размягченный материал с последующим его затвердеванием в специальных литейных или пресс-формах. Заформовка позволяет получать соединения деталей сложных геометрических форм, имеющих пазы, канавки (рис. 53, а) или отверстия (рис. 53, б). Прочность соединения заформовкой зависит от физико-механических свойств материала детали и формообразующего материала, геометрической формы и размеров детали. Характер соединения не предполагает высоких требований к точности изготовления детали. Заформовку используют для соединения металлических деталей с пластмассами (рис. 53, а), металлами (рис. 53, б),

173

резиной и стеклом, когда элементам конструкции требуется придать специальные свойства.

5) Заклепочные соединения выполняют при помощи специальных крепежных деталей – заклепок (рис. 54, а) или непосредственным расклепыванием цапф деталей (рис. 54, б). Заклепка представляет собой цилиндрический стержень с двумя головками, одна из которых называемая закладной, выполняется заранее, а вторая (замыкающая) получается в процессе сборки под ударами инструмента. Форма и размеры заклепок стандартизированы. Стержень заклепки может быть сплошным или полым (пустотелая заклепка - пистон). Форма головки может быть полукруглой, потайной, полупотайной, плоской. Заклепка изготавливается из пластичных материалов. Со-

единение собирается путем уста-

пользоваться пирозаклепки и заклепки из сплавов с эффектом памяти, пустотелые замыкающие головки которых после кратковременного нагрева пламенем газовой горелки принимают необходимую форму без механического воздействия.

6) Соединения вальцеванием и загибкой осуществляют за счет остаточной де- формации тонкого ото- гнутого края одной из соединяемых деталей. Вальцевание сопровождается вращением

внутрь, а при развальцовке (рис. 55, б) – наружу. Соединения загибкой получают при отгибе края или лапки деталей, или используют вспомогательные детали стандартные – шплинты (рис. 55, в).

7) Соединения запрессовкой получают при насаживании охва-

тывающей детали (детали с отверстием) на охватываемую деталь

(вал), если посадочный размер отверстия гарантировано меньше по-

174

садочного размера вала. Такую разность посадочных размеров называют натягом. После сборки вследствие упругих и пластических деформаций на поверхности контакта возникают удельное давление и соответствующие ему силы трения, препятствующие взаимному смещению деталей. Сборку соединений производят механическим способом (на прессе) или «тепловым» способом, нагревая охватывающую деталь (в электропечи) или охлаждая охватываемую деталь (жидким азотом или твердой углекислотой) до температуры, обеспечивающей свободное совмещение деталей. Точность полученной сборочной единицы практически равна точности цельноизготовленной детали.

8.3.Разъемные соединения

1)Резьбовые соединения – соединения деталей с помощью резьбы, являются наиболее распространенным видом разъемных соединений. Свыше 60% деталей имеет резьбу. Резьба в виде винтовой канавки определенного профиля наносится на наружную или внутреннюю (цилиндрическую или коническую) поверхности заготовки. Основными геометрическими параметрами резьбы (рис. 56, а) являются: d –

наружный, d1 – внутренний, d2 – средний диаметры; – угол профиля, p – шаг, – угол подъема винтовой линии. По системе измерений резьбы бывают метрическими и дюймовыми (1 дюйм = 1 = 25,4 мм); по профилю витка – треугольными (рис. 56, а), трапецеидальными симметричными, трапецеидальными несимметричными (упорные), прямоугольными и круглыми; по направлению винтовой линии – правыми (рис. 56, б) (используется в абсолютном большинстве соединений) и левыми (рис. 56, в); по величине шага – с крупным и мелким шагом; по количеству заходов – однозаходными (рис. 56, б, в) и многозаходными (на рис. 56 г – число заходов n = 2); по назначению – крепежными, крепежно-уплотнительными и ходовыми (используются в механизмах). Неподвижность резьбовых соединений обеспечивается трением в резьбе.

Резьбовые соединения бывают двух типов: соединения с помощью специальных резьбовых крепежных деталей (болтовые соединения рис. 57, а, винтовые соединения рис. 57, б, шпилечные соединения рис. 57, в) и соединения с непосредственным свинчиваением деталей. Под гайки, головки болтов и винтов подкладываются шайбы для увеличения опорной поверхности (рис. 57, а) или для повышения трения в резьбе (рис. 57, в), за счет пружинных свойств шайбы. Достоинствами резьбовых соединений являются простота, удобство сборки и разборки, широкая номенклатура, высокий уровень стандартизации, взаимозаменяемость, относительно низкая стоимость и высокая надежность. Недостатки резьбовых соединений – наличие во впадинах резьбы концентраций напряжений, снижающих прочность соединений; чувствительность к вибрационным и ударным воздействиям,

175

176

ками. Шпонки обычно изготавливают из среднеуглеродистых сталей

40, 45.

Призматические шпонки (рис. 59, а) имеют прямоугольное сечение. В радиальном направлении между шпонкой и пазом ступицы остается зазор. Паз под шпонку делают примерно 0,6 ее высоты, паз во втулке – на длину всей ступицы. Ширина и высота шпонки определены ГОСТом и подбираются в зависимости от диаметра вала. Длина

d1

шпонки определяется из условия прочности на смятие, а прочность на срез обеспечивается с избытком.

Сегментные шпонки (рис. 59, б) удобнее в изготовлении, но требуют более глубоких пазов в валах, что снижает прочность валов. Их применяют для передачи незначительных нагрузок. Рассчитываются так же, как и призматические.

Цилиндрические шпонки (штифты) (рис. 59, в) обычно применяют для закрепления деталей на конце вала. Шпонка устанавливается с натягом.

Клиновые шпонки (рис. 59 г) образуют напряженные соединения

– их с усилием вбивают в паз между валом и ступицей. Эти шпонки передают усилия за счет сил трения. В отличие от призматических и сегментных шпонок у клиновых шпонок зазор остается по боковым граням. Они применяются ограничено из-за возникающего перекоса ступицы, но способны передавать большие нагрузки.

177

3) Шлицевые соединения служат для передачи вращающего момента между валом и установленными деталями. Шлицевое соединение условно можно представить как многошпоночное. Это соединение обеспечивает как подвижное (в осевом направлении), так и неподвижное соединение между валом и насаженной деталью. Шлицевые соединения прочнее и точнее шпоночных. По форме поперечного сечения шлицов различают прямобочные (рис. 60, а), треугольные (рис. 60, б) и эвольвентные (рис. 60, в) шлицевые сечения. Число и размеры поперечного сечения шлицов принимают по ГОСТу в зависимости от диаметра вала. Шлицы рассчитываются на смятие.

b

D

d

4) Штифтовые соединения осуществляются при помощи специальных стандартных деталей – штифтов, т.е. стержней цилиндрической (рис. 61, а) или конической (рис. 61, б) формы плотно вставляемых в отверстие двух соединяемых деталей. Штифты применяют для точного фиксирования относительного положения соединяемых

деталей и для соединения дета-

ка на размер. Острые кромки насечных штифтов врезаются в края отверстия и надежно страхуют штифт от выпадения.

5) Фланцевые соединения предназначены для герметичного соединения трубопроводов и элементов корпусов аппаратов, работающих под давлением. Соединение состоит из двух фланцев, болтового (шпилечного) соединения и прокладки, которая устанавливается

178

между уплотнительными поверхностями и обеспечивает герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов. Фланцы стандартизованы.

Фланцы могут быть цельными (рис. 62), т.е. привариваться к элементам корпуса аппарата или трубопровода, или быть свободными (рис. 63), т.е. крепиться разъемно на отбортовку корпуса (рис. 63,а)

или резьбу (63, б). Свободные фланцы применяются для соединения аппаратов и трубопроводов из пластичных материалов (алюминий, медь), хрупких материалов (керамика, стекло). Кроме того, применение свободных фланцев из недорогой углеродистой стали позволяет уменьшить стоимость протяженных внутризаводских трубопроводов из легированной стали. Цельные фланцы по конструкции могут быть

плоскими приварными (рис. 62, а – в) и приварными встык (рис. 62, г,

д). Фланцы приварные встык способны выдерживать большие давления и температуры, чем плоские приварные.

Уплотнительные поверхности фланцев и зажатая между ними прокладка образуют затвор. По конструкции затворы бывают сле-

дующих типов: с гладкой уплотнительной поверхностью (рис. 62, а) (рекомендуется для давлений до 0,6 МПа), выступ-впадина (рис. 62,

б, г) (0,6 –1,6 МПа), шип-паз (рис. 62, в, д) (1,6 – 6,4 МПа), а также под металлическую прокладку (6,4 – 16 МПа). Материалы прокладок фланцевых соединений должны быть прочными, эластичными, т.е. способными получать значительные упругие (исчезающие) деформации при небольших нагрузках, обладать пластичностью, быть термо- и коррозионностойкими в рабочих условиях. В качестве материала про-

кладок применяют: металлы – сталь, алюми- ний, медь, свинец; полимеры – фторопласт, полиэтилен, паронит, резину; комбинирован- ные прокладки, например, асбест в металли-

179