Типы соединений деталей машин

При точечной контактной сварке соединение образуется не по всей поверхности стыка а лишь в отдельных точках, к которым подводят электроды варочной машины.

При шовной контактной сварке узкий непрерывный или прерывистый шов расположен вдоль стыка деталей. Эту сварку выполняют с помощью электродов, имеющих форму дисков, которые катятся в направлении сварки. Точечную и шовную сварку применяют в нахлесточных соединениях преимущественно для листовых деталей толщиной не более 3 – 4 мм и тонких стенок арматурных стенок. В отличии от точечной шовная сварка образует герметичное соединение.

Все рассмотренные виды контактной сварки высокопроизводительны, их широко используют в массовом производстве для сварки труб, арматуры, кузовов автомобилей, металлической обшивки железнодорожных вагонов, корпусов самолетов, тонкостенных резервуаров и т.д.

 

Рис. 4. Сварное соединение

3.1 Стыковое соединение

Стыковое соединение во многих случаях является наиболее простым и надежным. Его следует применять везде, где допускает конструкция изделия. В зависимости от толщины соединяемых деталей соединение выполняют с обработкой или без обработки кромок, с подваркой и без подварки с другой стороны.

При малых толщинах обработка кромок не обязательна, а при средних и больших толщинах она необходима по условию образования шва на всей толщине деталей. Автоматическая сварка под флюсом позволяет увеличить предельные толщины листов, свариваемых без обработки кромок, примерно к два раза.

Сварить встык можно не только листы или полосы, но также трубы, уголки, швеллеры и другие фасонные профили. Во всех случаях составная деталь получается близкой к целой.

Стыковое соединение может разрушаться по шву, месту сплавления металла шва с металлом детали в зоне термического влияния. Зоной термического влияния называют прилегающий ко шву участок детали, в котором в результате нагревания при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термического влияния особенно значительно при сварке термически обработанных, а также наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и наклеп после сварки. Практикой установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение соединения стальных деталей происходит преимущественно в зоне термического влияния.

Рис. 5. Виды сварных соединений

3.2 Нахлесточное соединение

Выполняется с помощью угловых швов.

В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы:

-нормальные – наиболее распространены на практике;

-улучшенные;

-вогнутые – снижают концентрацию напряжений и рекомендуются при действии переменных нагрузок. Вогнутость шва достигается обычно механической обработкой, которая значительно увеличивает стоимость соединения. Поэтому такой шов применяют только в особых случаях, когда оправдываются дополнительные расходы;

-выпуклые – образуют  резкое изменение сечения деталей  в месте соединения, что является  причиной повышенной концентрации  напряжений. В нагруженных силовых  конструкциях не рекомендуется.

4. Соединение пайкой  и склеиванием

В отличии от сварки пайка и склеивание позволяют соединять детали не только из однородных, но и из неоднородных материалов, например: сталь с аллюминием6 металлы со стеклом, графитом, фарфором, керамика с полупроводниками: пластмассы, дерево, резина и пр.

 

При пайке и склеивании кромки детали не расплавляются, что позволяет более точно выдерживать их размеры и форму, а также производить повторные ремонтные соединения. По прочности паяные и клееные соединения уступают сварным в тех случаях, когда материал деталей обладает достаточно хорошей свариваемостью. Исключение составляют соединения тонкостенных элементов типа оболочек, когда имеется опасность прожога деталей при сварке.

Применение пайки и склеивания в машиностроении возрастает в связи с широким внедрением новых конструкционным металлов (например: пластмасс) и высокопрочных легированных сталей, многие из которых плохо свариваются. Примерами применения пайки и склеивания в машиностроении могут служить радиаторы автомобилей и тракторов, камеры сгорания жидкостных реактивных двигателей, лопатки турбин, топливные и масляные трубопроводы и др.

Пайка и склеивание является одним из основных видов соединения в приборостроении, в том числе и радиотехнике, где они являются преимущественно связующими, а не силовыми соединениями.

Процессы пайки и склеивания сравнительно легко поддаются механизации и автоматизации. Во многих случаях применение пайки и склеивания приводит к значительному повышению производительности труда, снижению массы и стоимости конструкций.

Эффективность применения паяных и клееных соединений, их прочность и другие качественные характеристики в значительной степени определяются качеством технологического процесса: правильным подбором типа припоя и клей, температурным режимом, очисткой поверхностей стыка, их защитой от окисления и др.

4.1 Соединения пайкой

Соединение образуется в результате химических связей материала деталей и присадочного материала, называемого припоем. Температура плавления припоя (например, олово) ниже температуры плавления материала деталей, поэтому в процессе пайки детали остаются твердыми. При пайке расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей. Поверхности детали обезжиривают, очищают от окислов и прочих посторонних частиц. Без этого нельзя обеспечить хорошую смачиваемость поверхности припоем и заполнение зазора в стыке.

Размер зазора в стыке деталей в значительной мере определяет прочность соединения. Уменьшение зазора до некоторого предела увеличивает прочность. Это связано, во – первых, с тем, что при малых зазорах появляется эффект капиллярного течения, способствующий заполнению зазора расплавленным припоем; во – вторых, диффузионный процесс и процесс растворения материалов деталей и припоя может распространяться на всю толщину паяного шва (диффузионный слой и слой раствора прочнее самого припоя). Чрезмерно малые зазоры препятствуют течению припоя. Размер оптимального зазора зависит от типа припоя и материала деталей. Для пайки стальных деталей тугоплавкими припоями (серебряными и медными) приближенно рекомендуется зазор 0,003 – 0,15 мм, при легкоплавких припоях (оловянных) - 0,05 – 0,2 мм.

Необходимость малых и равномерно распределенных зазоров является одним из недостатков пайки, ограничивающим ее применение, в особенности для крупногабаритных конструкций. По сравнению со сваркой пайка требует более точной механической обработки и сборки деталей перед пайкой.

Нагрев припоя и деталей при пайке осуществляется паяльником, газовой горелкой, ТВЧ, в термических печах, погружением в ванну с расплавленным припоем и др.

Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей применяют специальные флюсы (на основе буры, хлористого цинка, канифоли); паяют в среде нейтральных газов (аргона) или в вакууме.

В качестве припоев применяют как чистые металлы, так и сплавы. Чаще других применяют сплавы на основе олова, меди, серебра.

При соединении стальных деталей прочность материала деталей обычно больше прочности материала шва. В побочных случаях условие равнопрочности можно обеспечить только для нахлесточных соединений.

4.2 С оединение склеиванием

Конструкция клеевых соединений подобна конструкции паяных, только припой здесь заменен клеем, а образование соединения выполняют без нагрева деталей. Соединение осуществляется за счет сил адгезии (сил сцепления) в процессе затвердевания твердого клея. Имеются клеевые составы с избирательной адгезией к каким – либо определенным металлам – это специальные клеи (например, резиновые); с высокой адгезией к различным металла (например, к металлам, керамике, дереву, пластмассам и др.) – это универсальные клеи.

В процессе склеивания выполняют ряд последовательных операций: подготовку поверхностей деталей, нанесение клея, сборку соединения, выдержку при соответствующих давлении и температуре. Подготовка деталей обычно заключается в их взаимной пригонке, образовании шероховатости путем зачистки наждачной шкурки или пескойструнным аппаратом, удалении пыли и обезжиривании с помощью органических растворителей. Шероховатость увеличивает поверхность склеивания. Клей наносят кистью или пульверизатором. Сравнительно длительная выдержка, необходимая для полимеризации, является одним из недостатков клеевых соединений.

Прочность клеевого соединения в значительной степени зависит от толщины слоя клея, которую рекомендуется назначать в пределах 0,05-0,15 мм. Толщина слоя клея зависит от его вязкости и давления при склеивании. Клеевые соединения лучше работают на сдвиг, хуже на отрыв. Поэтому предпочтительны нахлесточные соединения. Для повышения прочности применяют комбинацию клеевого соединения с резьбовым, сварным или заклепочным.

Качество клеевого соединения характеризуется не только его прочностью, но и водостойкостью, теплостойкостью и другими показателями.

5. Клеммовые соединения

Применяют для закрепления деталей на осях и валах, цилиндрических колоннах, кронштейнах и т.д.

По конструктивным признакам различают два типа клеммовых соединений: а) со ступицей, имеющей прорезь; б) с разъемной ступицей. Разъемная ступица несколько увеличивает массу и стоимость соединения, но при этом становится возможным устанавливать клемму в любой части вала независимо от формы соседних участков и других расположенных на валу деталей.

При соединении деталей с помощью клемм используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов, но клеммовые соединения не рекомендуют применять для больших нагрузок.

Достоинство клеммового соединения: простота монтажа и демонтажа, самопредохранение от перегрузки, а также возможность перестановки и регулировки взаимного расположения деталей как в осевом, так и в окружном направлениях. Наличие больших зазоров в соединении может привести к разрушению клеммы от напряжений изгиба. Практически конструкция с большим зазором считается дефектной.

6. Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения

Служат для закрепления деталей на осях и валах. Такими деталями являются шкивы, зубчатые колеса, муфты, маховики, кулачки и т.д. Соединения в основном нагружаются вращающим моментом.

6.1 Шпоночные соединения

Все основные виды шпонок можно разделить на клиновые и призматические. Первая группа шпонок образует напряженные (в соединении образуется напряжение до приложения внешней нагрузки), а вторая – ненапряженные соединения.

1. Соединение клиновыми  шпонками (например, врезной клиновой  шпонкой) характеризуется свободной  посадкой ступицы на вал (с  зазором); расположением шпонки в  пазе с зазорами по боковым  граням (рабочими являются широкие  грани шпонки); передачей вращающегося  момента от вала к ступице  в основном силами трения, которые  образуются в соединении от  запрессовки шпонки. Запрессовка  шпонки смещает центры вала  и ступицы на величину ∆, равную  половине зазора и деформации  деталей. Это смещение вызывает  дисбаланс и неблагоприятно сказывается  на работе механизма при больших  частотах вращения.

Клиновая форма шпонки может вызвать перекос детали, при котором ее торцовая плоскость не будет перпендикулярна оси вала. Обработка паза в ступице с уклоном шпонки, создает дополнительные технологические трудности и часто требует индивидуальной пригонки шпонки по пазу. Такая пригонка совершенно недопустима в условиях массового производства. Эти недостатки послужили причиной того, что применение клиновых шпонок резко сократилось в условиях современного производства. Значительное сокращение применения клиновых шпонок позволяет не рассматривать в настоящем курсе их конструктивные разновидности и расчет на прочность.

2. Соединение призматическими  шпонками ненапряженное . Оно требует изготовление вала и отверстия с большой точностью. Во многих случаях посадка ступицы на вал производиться с натягом. Момент передается с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки. При этом на них возникает напряжение смятия σ см, а в продольном сечении шпонки – напряжение среза τ.

Параллельность граней призматической шпонки позволяет осуществлять подвижные в осевом направлении соединения ступицы с валом (коробки скоростей и др.). силы трения, возникающие при перемещении ступицы в подвижном соединении могут нарушить правильное положение шпонки, поэтому ее рекомендуют крепить к валу винтами. В некоторых конструкциях подвижных соединений целесообразно применять короткие шпонки, прикрепленные к ступице.

6.2 Оценка соединений  призматическими шпонками и их  применение

Призматические шпонки широко применяют во всех отраслях машиностроения. Простота конструкции и сравнительно низкая стоимость – главные достоинства этого вида соединений.

Отрицательные свойства: соединение ослабляет вал и ступицу шпоночными пазами; концентрация напряжения в зоне шпоночной канавки снижает сопротивление усталости вала; прочность соединения ниже прочности вала и ступицы, в особенности при переходных посадках или посадках с зазором. Поэтому шпоночные соединения не рекомендуют ля быстроходных динамически нагруженных валов. Технологическим недостатком призматических шпонок является трудность обеспечения их взаимозаменяемости, т.е. необходимость пригонки или подбора шпонки по пазу, что ограничивает их применение в крупносерийном и массовом производстве. Пригонкой стремятся обеспечить устойчивое положение шпонки в пазах, так как перекос (выворачивание) шпонки значительно ослабляет соединение. Сегментная шпонка с глубоким пазом в этом отношении обладает преимуществом перед простой призматической шпонкой. Ее предпочитают применять при массовом производстве.

6.3 Зубчатые (шлицевые) соединения

Зубчатые соединения образуются при наличии наружных зубьев на валу и внутренних зубьев в отверстии ступицы. Размеры зубчатых соединений, а также допуски на них стандартизованы.

Зубья на валах получают фрезерованием, строганием или накатыванием. Протягивание – высокопроизводительный способ и широко применяется в массовом производстве. Для отделочных операций используют шлифование, дорнирование и др.

Стандартом предусмотрены три серии соединений:

· Легкая;

· Средняя;

· Тяжелая.

Они отличаются высотой и числом зубьев, число зубьев изменяется от 6 до 20. У соединений тяжелой серии зубья выше, а их число больше, что позволяет передавать больше нагрузки.