Відновлення валів (правка) способи пластичної деформації

1.Загальні відомості

Погнутість валів виникає у результаті їх перевантаження у процесі роботи або помилок при монтажі.

При роботі погнутого валу можлива недопустима деформація або руйнування зв’язаних з ним деталей, у першу чергу, підшипників. Тому найбільший прогин f вала не повинний перевищувати 0,0002-0,0003 відстані l між опорами, тобто

f  (0,0002-0,0003)l.

З прогином зв’язаний і кут повороту  поперечного перерізу вала. У місці встановлення підшипника  не повинно перевищувати нижче наведених значень :

- підшипники сковзання   0,001 рад.;

- радіального однорядного шарикопідшипника  0,005–0,01рад.;

- сферичного радіального шарикопідшипника   0,05 рад.;

- конічного роликопідшипника   0,0017 рад.

Погнутість вала встановлюється при його перевірці на биття у центрах або на призмах за допомогою індикатора (рис.1), при цьому визначається площа вигину вала та величина биття

 = 2 f (1)

Погнутість вала усувається правкою шляхом пластичної деформації визначеної частини вала, що спричиняється силовим впливом або нагрівом. Найбільш часто застосовуються такі способи правки валів:

• холодна правка прикладенням статичного навантаження;

• наклепом;

• термічна;

• термомеханічна.

Рис. 1. Перевірка биття валу:

1 – вал; 2 – індикатор.

1.1 Способи правки

При холодній правці прикладенням статичного навантаження (рис.2,а) вал укладається на дві опори та до випуклого його боку у точці з максимальним биттям прикладають визначене статичне навантаження.

Звичайно, правка проводиться під пресом (частіше, гідравлічним), що обладнуэться центровими бабками та призмами (рис.2,а). Вал 9, який має центрові отвори, встановлюється в бабках 1 і 11, що сидять на осі 7, закріпленої в опорах 2, 10. До валу підводять індикатор 5, встановлений на стійці 4. Обертанням вала 9 виявляється місце найбільшого вигину. По обидва боки вигину встановлюються жорсткі призми 3 і 8. На вал натискують декілька разів пуансоном 6, закріпленим у штоку преса. Операції повторюються до ліквідації погнутості. Вали невеликого діаметру можна правити на старому токарному верстаті за допомогою домкрата (рис.2,б) або правильної скоби (рис.2,в).

Переваги цього способу правки – простота та доступність.

Недоліки:

• відносна трудність порівняння необхідної величини сили, що прикладається, та прогину, який спричиняється нею;

• зниження пластичності, в’язкості та втомної міцності матеріалу вала;

• можливість повторного скривлення вала.

Рис. 2. Холодна правка валів прикладенням статичного навантаження:

а) 1, 11 – бабки; 2,10 – опори; 3,8 – призми; 4 – стійка індикатора; 5 – індикатор; 6 – пуансон; 7 – ось; 9 – вал;

б, в) 1 - вал; 2- гаки; 3 – гвинти.

Зниження втомної міцності пояснюється виникненням місцевих остаточних напруг (рис.3), які, як відомо, знижують межу втомної міцності. Повторне скривлення вала у роботі виникає внаслідок пружної післядії внаслідок неоднорідності пластичних деформацій та наявності у деталі остаточних деформацій. Для зменшення ефекту пружної післядії деталь можна піддати стабілізуючому відпуску, який знімає внутрішні напруги.

Рис. 3. Остаточне навантаження при холодній праці валу методом пластичної деформації.

Правка наклепом застосовується для виправлення слабопогнутих (кривизна не більше 0,03-0,05 довжини) валів складної форми, наприклад, колінчатих. При правці колінчатого вала (рис.4) щоки вала підлягають ударам (не більше 3-4) з відповідного боку ручним молотком з кулеподібною головкою або пневматичним молотком зі спеціальною насадкою.

Переваги правки наклепом – простота та не зниження втомної міцності.

Рис. 4. Правка колінчатого валу методом наклепу.

Термічні та термохімічні способи правки валів використовуються при правці крупних валів (діаметром більше 100 мм). У цих випадках проводиться місцевий нагрів ділянки вала газовим полум'ям або розплавленим легкоплавким металом (алюміній, цинк та ін.), що заливається в глиняну чи металеву ванну, встановлену навколо вала.

При місцевому нагріву на більш нагрітому боку валу з’являються напруги стиску, а на більш холодному – розтягу. Після охолодження вала виникає прогин, протилежний початковому. Температура нагріву визначається маркою сталі, характером термообробки, величинами прогину та діаметра валу. Наприклад, термічно оброблені вали при d=100 мм, звичайно правлять при t500-550^оС. Розміри плями нагріву вибирають у залежності від діаметру вала та величини прогину у межах – довжина l_п=(0,5-1)d, ширина b_п=(0,25-1)d. Вали, що працюють при високих навантаженнях та швидкостях, після термічної правки рекомендується відпустити для зняття внутрішніх напруг.

Термомеханічний спосіб має два різновиди. Перший полягає у тому, що до початку нагріву випуклої ділянки валу у ньому за допомогою механічного впливу визивають напруги. При нагріві вал прагне ще більше розігнутися. При охолодженні вал випрямляється. Зустрічаючи опір з боку пристрою для попереднього натиску, матеріал вала у місці нагріву переходить межу текучості раніше, чим при чисто термічної правці. Тому процес правки прискорюється. Переваги зазначеного способу – можливість усунення великого вигину. Недолік – в матеріалі вала внаслідок однобокого нагріву виникають остаточні напруги, що можуть визвати повернення початкового прогину при відпуску.

При другому різновиду термомеханічної правки проводиться місцевий нагрів вала по усій окружності, а потім – механічна правка. Перевагою зазначеного способу є відсутність остаточних напруг, що забезпечує стабільність форми вала.

Нижче наводяться деякі теоретичні обґрунтування холодної правки вала прикладенням статичного навантаження, зокрема, формула для визначення згинаючого моменту, що забезпечує необхідну для правки пластичну деформацію валу.

1.3. Теоретичне обґрунтування холодної правки вала

Як відомо, при згині у межах пружності нормальні напруги  розподіляються по висоті поперечного перерізу вала нерівномірно (див. рис.5,а) та змінюються у відповідності з формулою Нав’є

, (2)

де М – згинаючий момент; J_x – осьовий момент інерції поперечного перерізу вала; у – координата точки, де визначається напруга відносно нейтральної лінії.

Максимальна напруга _max має місце на краю переріза та визначається за формулою

, (3)

де W_x – осьовий момент опору площі поперечного перерізу.

Рис. 5. Нормальні напруги згину в поперечному перерізі валу.

Для круглих перерізів, які, як правило, мають вали та осі осьовий момент визначається за формулою

. (4)

Згинаючий момент, при якому у верхній та ніжній точках поперечного перерізу напруги досягнуть межі текучості _т, позначимо М_т1. Тоді

М_т1 = _т  W_x (5)

По мірі збільшення згинаючого моменту у порівнянні з М_т1 пластичний стан матеріалу розповсюджується по перерізу у напрямку нейтральної осі (рис.5,б). Момент М_пр, при якому можлива пластична деформація вала (виправлення) наступить, коли напруга, яка дорівнює межі текучості, розповсюдиться на весь поперечний переріз (рис.5,в). Вал може бути представлений у виді балки. Як приклад, показаний рис.6 процес розповсюдження зони пластичної деформації (заштрихована). Пластичні деформації з’являться у верхніх та нижніх точках в найбільш напружених перерізах. По мірі зростання навантаження Р, зони пластичних деформацій зімкнуться (показано пунктиром).

Рис. 6. Розповсюдження пластичних деформацій по довжині валу.

У поперечному перерізі, що розглядається (рис. 5,в) утворюється пластичний шарнір з згинальним моментом, який дорівнює граничному згинаючому моменту М_г, котрий може бути визначений за рівнянням

, (6)

де F - площа поперечного перерізу валу;

S_max – статичний момент площі половини поперечного перерізу відносно нейтральної осі.

Величину 2S_max = W_пл називають пластичним моментом опору. З урахуванням сказаного

М_г = _тW_пл . (7)

Для круглого перерізу :

W_пл = d³/6  1,7 W_х (8)

Приклад 1.

Для сталевого валу визначити зусилля, необхідне для його правки.

Вихідні дані: