способ сборки соединения деталей типа вал - втулка

Формула изобретения

СПОСОБ СБОРКИ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ВАЛ - ВТУЛКА методом запрессовки, заключающийся в центрировании соединяемых деталей, приложении к втулке поперечных ультразвуковых колебаний и воздействии на одну из деталей осевым усилием, отличающийся тем, что предварительно с сопрягаемых поверхностей вала и втулки снимают профилограммы и определяют высоту и шаг микронеровностей каждой из них, прикладывают ультразвуковые колебания с амплитудой, равной величине натяга в соединении, а величину осевого усилия определяют из условия равенства величины натяга значению максимальной высоты микронеровностей соединяемой детали, имеющей меньшую высоту микронеровностей, при этом величину осевого усилия увеличивают в процессе запрессовки по мере изменения длины зоны контакта, а скорость относительного перемещения деталей устанавливают равной произведению частоты ультразвуковых колебаний на шаг микронеровностей менее твердой детали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к механосборочному производству и может быть использовано при сборке высокоточных соединений с небольшими натягами и по переходным посадкам.

Известен способ сборки соединения деталей типа вал-втулка, при котором осуществляют предварительное нанесение на сопрягаемую поверхность одной из соединяемых деталей специального микрорельефа, а затем тепловым способом производят сборку [1] . Недостатком данного способа является увеличение экономических затрат, связанных с введением в технологический процесс дополнительной операции.

Известен способ сборки [2], в котором после соединения вала и втулки воздействуют на вал ультразвуковыми колебаниями с амплитудой, пропорциональной среднему шагу микронеровностей более твердой детали для улучшения эксплуатационных показателей соединения.

Недостатком способов является низкая производительность и большие энергетические затраты, связанные с необходимостью нагрева или охлаждения деталей и дополнительным расходом ультразвуковой энергии для упрочнения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ сборки соединения деталей типа вал-втулка методом запрессовки, заключающийся в центрировании соединяемых деталей, приложении ко втулке поперечных ультразвуковых колебаний и воздействии на одну из деталей осевым усилием [3].

Недостатком этого способа является то, что при больших натягах и режимах сборки происходит срезание микронеровностями более твердой детали неровностей менее твердой, что при посадке нешироких втулок на длинный вал приводит к потере прочности соединений.

Технической задачей является повышение прочности соединения, производительности процесса и снижение энергетических затрат при сборке.

Это решается тем, что в известном способе сборки соединения деталей типа вал-втулка методом запрессовки, заключающемся в центрировании соединяемых деталей, приложении к втулке поперечных ультразвуковых колебаний и воздействии на одну из деталей осевым усилием, предварительно с сопрягаемых поверхностей вала и втулки снимают профилограммы и определяют высоту и шаг микронеровностей каждой из них, прикладывают ультразвуковые колебания с амплитудой, равной величине натяга в соединении, а величину осевого усилия определяют из условия равенства величины натяга значению максимальной высоты микронеровностей соединяемой детали, имеющей меньшую высоту микронеровностей, при этом величину осевого усилия увеличивают в процессе запрессовки по мере изменения длины зоны контакта, а скорость относительного перемещения деталей устанавливают равной произведению частоты ультразвуковых колебаний на шаг микронеровностей менее твердой детали.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая способ, где R_max1, R_max2,S₁,S₂ - максимальная высота и шаг микронеровностей поверхностей отверстия втулки и вала; - натяг в соединении; - амплитуда ультразвуковых колебаний втулки; Р_зап - сила запрессовки; на фиг.2 - профиль микронеровностей вала в поперечном сечении после распрессовки соединения, собранного по способу-прототипу; на фиг.3 - профиль микронеровностей вала в поперечном сечении после распрессовки соединения, собранного согласно данному изобретению.

Способ осуществляют с соблюдением следующих условий.

При сообщении втулке поперечных ультразвуковых колебаний с амплитудой, равной натягу, диаметр отверстия втулки d₁ в первый полупериод колебаний будет составлять:

d₁ = d_ном + ,

а второй d₂:

d₂ = d_ном - , где d_ном - номинальный диаметр отверстия.

Следовательно, в первый полупериод соединение будет собираться без натяга и микрорельеф поверхностей вала и втулки не будет нарушаться.

С тем, чтобы во второй полупериод колебаний не происходило относительного перемещения деталей, т.е. процесс запрессовки приостановился, силу запрессовки необходимо, во-первых, уменьшить, рассчитав ее из известной зависимости, поставив вместо натяга величину максимальной высоты микронеровностей детали с меньшей высотой микронеровностей R_max. Во-вторых, при определении силы, необходимой для запрессовки, подсчитывают ее по зависимости:

P_зап = , где f₃ - коэффициент трения;

l - общая длина запрессовки (если запрессовка происходит на всю ширину втулки, то ширина принимается за l);

- натяг;

Е₁ и E₂ - модули упругости втулки и вала;

С₁ и С₂ - размерно-механические характеристики втулки и вала.

После определения Р_зап увеличивают ее на 15-20% и эту силу прикладывают к одной из деталей и выполняют соединение.

К одной из деталей прикладывают не сразу всю силу, а изменяют ее по программе в зависимости от увеличения длины запрессовки.

Таким образом сила запрессовки должна изменяться по следующей зависимости:

P_зап(x) = , (1) где R_max - высота микронеровностей поверхности детали с меньшей высотой микронеровностей;

х - координата взаимного положения вала и втулки.

При соблюдении этих условий запрессовка буде происходить только в том случае, когда диаметр втулки под воздействием ультразвука будет изменяться в пределах

d_ном + - R_max1 d_1,2 d_ном + . (2)

Остальные части первого и второго полупериодов колебаний из-за высоких удельных давлений в соединении детали не будут иметь относительного перемещения, но так как частота ультразвуковых колебаний составляет 20000 Гц и более, то дискретность взаимного перемещения деталей практически не наблюдается.

Несмотря на то, что при запрессовке некоторый промежуток времени имеется натяг (согласно формуле 2), равный R_max1, ухудшения профиля микронеровностей поверхности происходить не будет, так как деформация микронеровностей высотой (на половину диаметра от R_max1) при сближении поверхностей - упругая, следовательно, и форма и высота каждой отдельно взятой неровности восстанавливаются после снятия нагрузки.

В связи с тем, что во второй полупериод колебаний диаметр отверстия втулки уменьшается до величины d₂ = d_ном - , необходимо, чтобы в этот момент не происходила пластическая деформация или срезание микронеровностей менее твердой детали. Выполнение этого условия возможно в том случае, если вершины микронеровностей одной детали будут находиться во впадинах микронеровностей другой. Для этого надо согласовать скорость запрессовки с шагом микронеровностей и частотой ультразвуковых колебаний так, чтобы увеличение диаметра отверстия втулки приходилось на прохождение выступа микронеровностей вала над выступом микронеровностей втулки, а уменьшение диаметра отверстия втулки - на прохождение выступов микронеровностей вала по впадине микронеровностей втулки.

Анализируя применяемые в машиностроении посадки, можно прийти к выводу, что наиболее часто встречающиеся соединения: шлифованный вал - расточное отверстие втулки; шлифованный вал - шлифованная внутренняя поверхность втулки, а для высокоточных соединений - вал после суперфиниширования - отверстие втулки после хонингования. При этом на поверхностях деталей будет сформирован следующий микрорельеф (см. табл.1).

Анализ данных показывает, что величины среднего шага неровностей практически одинаковы для наиболее широко применяемых соединений.

В связи с вышеизложенным необходимо, чтобы расстояние, равное половине шага (например, выступ микронеровностей втулки на фиг.1), было пройдено за первый полупериод колебаний

=V, т.е. скорость запрессовки:

V = .

Так как T = , где f - частота ультразвуковых колебаний, то

v = S_m f . (3)

Аналогично для второго полупериода колебаний.

Следовательно, скорость запрессовки должна быть равна произведению среднего шага микронеровностей на частоту ультразвуковых колебаний.

Проводилось соединение подшипника: твердость (HRC_э 60...62) N 202 с диаметром отверстия 10 мм после шлифования ширина - 12 мм со шлифованным валом (HRC_э 35...40). Натяг составлял 0,009 мм.

Замеры параметров шероховатости:

Вал: R_max = 2,4 мкм = 0,0024 мм; S_m = =0,025 мм;

Отверстие: R_max = 0,2 мкм = 0,0020 мм; S_m = 0,025 мм;

= 0,001 мм.

Втулке необходимо сообщить ультразвуковые колебания с амплитудой = 0,009 мм (частотой f = 20000 Гц)

Производим расчет Р_зап(х)

C₁ = - ; C₂ = - E₁=E₂=210f₃=0,2 d = 10 мм диаметр, по которому происходит запрессовка;

d₁ = 0 - диаметр отверстия в вале;

d₂ = 15 мм наружный диаметр втулки;

= 0,3 коэффициент Пуансона, Е₁ = Е₂ = 2 10⁴ кгс/мм² f₃ = 0,2.

С₁ = 0,7; С₂ = 2,27.

Подставляем соответствующие значения в (1)

P_зап(x) = x=8,44x

Изменяя значение х, получим закон изменения силы запрессовки в зависимости от относительного положения и кольца подшипника (см.табл.2).

Производим расчет скорости запрессовки по формуле (3)

v = 0,025 20000 = 500 мм/с

Распрессовка соединений, собранных по изобретению, показала увеличение прочности в 2,4 раза.