CC BY
22
УДК 621.787
А. П. МОРГУНОВ К. Н. ПАНТЮХОВА
Омский государственный технический университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ШТЛМПОВОЙ ОСНАСТКИ И ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВОЙ СБОРКИ ПРОФИЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ МАТРИЦЫ С ТВЕРДОСПЛАВНОЙ ВСТАВКОЙ
Рассмотрены варианты конструкции оснастки для холодной высадки стержневых деталей и технология тепловой сборки замкового профильного соединения матрицы с твердосплавной вставкой при различных схемах сопряжения.
Ключевые слова: корпус матрицы, твердосплавная вставка, площадь опорной поверхности, профильное соединение, прочность, натяг.
Одной из ответственных сборочных единиц оснастки холодновысадочного производства является высадочная матрица. С целью повышения её долговечности в корпус матрицы запрессовывается вставка из твердого сплава, например, из ВК8. В связи с тем, что этот материал обладает высокой твердостью 87,5 HRA, сборка матрицы с вставкой требует достаточно точного расчета величины натяга и строго соблюдения технологии сборки. Кроме того, обеспечение максимальной величины площади опорной поверхности осуществляется благодаря упругопла-стическому деформированию обоймы.
Для того, чтобы применить профильное соединение, целесообразно использовать тепловую посадку, которая обеспечит «замковое» соединение.
Сборку с нагревом охватывающей детали осуществляют чаще всего в тех случаях, когда в соединении предусмотрены конструкцией значительные натяги. При тепловых посадках создаются натяги, средняя величина которых примерно в 2 раза больше натягов при обычных прессовых посадках.
Нагрев применяют при сборке тяжелонагружен-ных соединений, требующих высокой прочности, а также когда охватывающая деталь выполнена из материала, имеющего высокий коэффициент линейного расширения, а соединение подвергается в машине воздействию повышенных температур. Если такое соединение собрать без нагрева, то в процессе эксплуатации прочность его, очевидно, значительно снизится. Нередко нагрев деталей применяют и при сравнительно небольших натягах. Тогда это облегчает процесс сборки и способствует сохранению качества поверхностей сопрягаемых деталей.
В одних и тех же условиях прочность тепловых посадок при передаче крутящего момента в 2 — 3 раза прочности обычных прессовых посадок. Объясняется это тем, что при тепловых посадках микронеровности сопрягаемых поверхностей не сглаживаются, как при холодной запрессовке, а как бы сцепляются друг с другом. Время на запрессовку крупногабаритных деталей с нагревом или охлаждением сокращается в 2 — 4 раза. Кроме того, часто упрощается и удешевляется сборочное оборудование, ибо отпадает надобность в тяжелых прессах.
Температура, до которой следует нагревать охватывающую деталь для осуществления сборки узла, определяется из условия, что натяг Д будет меньше произведенияК^с!, [ 1 ],
где Ка — коэффициент линейного расширения материала охватывающей детали; ^ — температура нагрева; <1[ — диаметр отверстия. Но Д = (1 — (1,, следовательно,
d —d,< K^dp
откуда
'„ >
d-d,
(1)
Если принять, что изменение натяга подчиняется зависимости
Д = 0,015+ 0,001 а,, то минимальная температура нагрева должна быть
0.015 0.001 1 Г0.015
t =-+-= —
" Kd, К.. к.
+ 0.001
(2)
Для стальных деталей эта формула может быть упрощена:
/.=1^ + 90
(3)
Температура охватывающей детали после нагрева, очевидно, будет 1и + 1п, где ^ — начальная температура детали.
Подсчитанная по формулам температура нагрева деталей обычно увеличивается на 15 — 30%, что компенсирует частичное охлаждение детали в процессе ее установки перед запрессовкой, а также обеспечивает свободную установку охватывающей детали.
Обычно температура ^ + ^ не превышает 350 — 370° С. Больший нагрев деталей не рекомендуется. Если собирают крупногабаритные соединения с нагревом охватывающей детали, состоящие из втулок,
Минимальный зазор 8 в мм при диаметре поверхности сопряжения в мм
30-40 40-60 60-100 100-150 150 - 200 более 220
0,0006с1 - - - - -
0,0007а о,ооо7а - - -
- 0,0011а 0,0007а о.оооеа о,ооо5а -
- - о.оопа о,ооо8а 0,0007а о.оооба
- - - - о.ооова о,ооо7а
Рис. 1
то следует учитывать, что при значительной разнице в коэффициентах линейного расширения \Ка> К ) нагрев охватываемой детали в процессе сборки от охватывающей детли может быть причиной возникновения на поверхности сопряжения остаточных деформаций, что приведет к ослаблению посадки.
Следует также учитывать, что при посадке нагретой охватывающей детали до упора (например бурт) после охлаждения соединения и уменьшения размеров детали в месте упора может образоваться зазор, т. е. сборка будет некачественной. Чтобы этого избежать, в охватывающей детали возможно ближе к месту упора предусматривают внутреннюю технологическую канавку и отверстие, через которое после сборки подается охлаждающая жидкость и обеспечивается требуемое «направление» усадки при остывании охватывающей детали.
Температура 1:0 охлаждения охватываемой детали может быть найдена по формуле
_ А + <?
Конечная температура охлажденной охватываемой детали будет ^ —1:0.
Необходимо, однако, иметь в виду, что возникающее от натяга в сопряжении напряжение
а=Ка10Е, (5)
где Е — модуль упругости материала детали.
Значения минимального зазора 3, позволяющего легко ввести охватываемую деталь в отверстие, могут быть взяты из табл. 1.
Главным типом неподвижных неразъемных соединений являются цилиндрические, формирование натяга которых можно представить следующим образом.
Допустим, что твердосплавная вставка введена в соприкосновение в отверстие обоймы таким образом, что при сборке не повреждены сопрягаемые поверхности обеих деталей. Это может быть достигнуто, например, глубоким охлаждением вала или нагревом втулки. При выравнивании температур происходит соприкосновение деталей и формируется натяг.
Качество неподвижного соединения будет определяться количеством площадок соприкосновения Э,, 32, ... Бц и удельной или полной силой соприкосновения Ртр ул [2]:
(6)
где ¡л — коэффициент трения; 1Муд — сжимающая нагрузка, МПа; Ртр.уд — удельная сила трения, МПа.
Для более долговечного и качественного функционирования необходимо, чтобы величина этой силы была максимальной. Это может быть достигнуто тремя путями.
1. Увеличение натяга. Как уже установлено, сближение является функцией нагрузки и наоборот:
(7)
5н — номинальная площадь соприкосновения.
Из формулы видно, что сила сопротивления на поверхности соприкосновения линейно зависит от сближения. Препятствием к широкому маневрированию величиной сближения для повышения надежности неподвижного соединения является прочность охватывающей детали: при больших натягах деталь может получить трещины.
2. Уменьшение шероховатости приводит к увеличению фактической площади соприкосновения. Исходя из того, что:
получаем:
Учитывая, что
(Ю)
где — площадь единичного пятна касания, можно допустить, что при уменьшении шероховатости до минимума число пятен до соприкосновения п->ппик и размеры пятен возрастают.
Очевидно, если считать п-><», то Э.->3. = 5н.
тр. уд
(4)
ЯфК Ь „100 '
(8)
Рис. 2
lim S,
-»^- = 1
(И)
Следовательно, максимальная величина силы тре-S,
ния при'
■ = 1
(теоретически возможная)
--т
К
т. 100
(12)
Практически ^т -1 нельзя добиться.
Анализ формул (7) и (8) показывает, что одинаковую величину силы трения можно обеспечить либо уменьшением шероховатости поверхности, либо увеличением натяга. Это обстоятельство необходимо учитывать в проектных и расчетных работах.
Однако нужно оговорить одно обстоятельство: во всех вышеприведенных рассуждениях предполагалось, что /J = const. На самом деле коэффициент трения является функцией нормального давления:
/v = f(N),
(13)
зи с чем может увеличиваться за счет упругопла-
стического деформирования сопрягаемой поверхности обоймы.
На рис. 1 представлен неблагоприятный вариант сопряжения обоймы и вставки, когда ^г минимально; на рис. 2-3 представлено формирование профильного
"ф
соединения, когда тг максимально, иначе
1£. = 1
т. е. он различен при различной величине N. Поэтому в практических расчетах необходимо учитывать это обстоятельство.
3. Применение материалов с высокими механическими свойствами. Известно, что коэффициенттре-ния существенно зависит от материалов пары.
Более прочные материалы пары допускают большие натяги и, следовательно, обеспечивают большую силу сопротивления Рт|]. Пары обладающие большей способностью к схватыванию, обеспечивают больший коэффициент трения и больший момент сопротивления. Особенность применения твердосплавной вставки заключается в том, что твердый сплав деформируется в большей степени в упругой области, в свя-
По результатам экспериментальных исследований при нагружении осевой силой прочность теплового профильного замкового соединения (рис. 2 — 3) выше прочности теплового соединения с «гладкими» поверхностями более чем в 2,5 раза, а профильного неблагоприятного варианта сопряжения (рис. 1), когда выступы обоймы и выступы вставки сопрягаются по вершинам — более чем в 2,8 раза.
Библиографический список
1. Новиков, М. П. Основы технологии сборки машин и механизмов / М. П. Новиков. — М.: Машиностроение, 1969. — 632 с.
2. Моргунов, А. П. Технологическое обеспечение прочности профильных неподвижных соединений / А. П. Моргунов, В. Б. Мася-гин, И. В. Ревина. — М. : Технология машиностроения, 2004. — 296 с.
МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения». ПАНТЮХОВА Ксения Николаевна, инженер научного издательства.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11. Статья поступила в редакцию 30.03.2011г. © А. П. Моргунов, К. Н. Пантюхова
Книжная полка
УДК 621.865.8/Г52
Гладких, В. В. Идеи и решения фундаментальных проблем науки и техники / В. В. Гладких, П. В. Гладких, В. П. Гладких ; дар. В. П. Гладких. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. -168 с. - ISBN 978-5-94157-663-0.
Существует ряд важных научно-технических проблем, которые еще не решены. В издании рассмотрены три проекта. В проекте «Механические роботы» обсуждаются управляющие системы на основе техногенетического кода. В проекте «Искусственный интеллект на основе N-нейронных модулей» вводится понятие интеллектономии и рассматриваются ее законы. В проекте «Управляемая реакция термоядерного синтеза» речь идет о проблеме управляемой реакции, для решения которой предлагается кибернетическая модель структурной единицы материи.
г >
Е
X т
О
ев >
