Неразъемные и разъемные соединения. 2

1.Неразъемные соединения

Жесткие соединения деталей могут быть двух типов – разъемные и неразъемные. Неразъемные соединения обычно проще и дешевле разъемных, однако при их демонтаже приходится разрушать скрепляющие элементы. К неразъемным относятся сварные и заклепочные соединения, а также соединения пайкой, склеиванием, посадкой и натягом и др.

Сварные соединения. Сварными называются неразъемные соединения, осуществляемые посредством сварного шва. Сварной шов получают путем сварки технологического процесса с применением нагрева места стыка и использования сил взаимодействия между молекулами металла соединяемых деталей. Сварка- наиболее дешевый способ получения прочного неразъемного соединения. Основными видами сварки являются сварка плавлением и давлением. При сварке плавлением места соединения деталей нагреваются до плавления; при застывании зоны расплавленного материала образуется сварной шов. Этот вид сварки является наиболее распространенным. При сварке давлением нагрев производится до температуры, при которой материалы соединяемых деталей переходят в пластическое состояние, после чего детали сжимают. В результате взаимной диффузии молекул через поверхность стыка происходит прочное соединение деталей Для местного нагрева деталей используют различные виды энергии- химическую (газовая сварка), электрическую (электродуговая и контактная сварки) и др.

При газовой сварке для нагрева соединяемых деталей используется энергия, выделяющаяся при горении газа, например ацетилена, в кислороде. Для формирования шва в пламя газовой горелки при сварке вносят пруток металла, который плавясь, заполняет место сварки.

При электродуговой сварке нагрев и плавление места соединения производятся электрической дугой, возникающей между электродом и деталью. При электродуговой сварке плавящимся электродом (основной вид сварки плавлением) металл последнего плавится и заполняет шов. Для устойчивого горения дуги металлический стержень электрода имеет специальное покрытие. Электроды изготавливаются и маркируются в соответствии с ГОСТом. В промышленности широко применяется полуавтоматическая и автоматическая электродуговая сварка, позволяющая получать швы высокого качества.

К разновидности дуговой электросварки, широко применяемой в машиностроении, относится сварка плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде аргона или углекислого газа, предохраняющей расплавленный металл от окисления. Аргонно- дуговой сваркой можно сваривать не только сталь, но также алюминий и его сплавы.

При контактной сварке тепло выделяется при пропускании тока через обе соединяемые детали, причем в месте контакта материал либо плавится, либо разогревается до высоких температур, обеспечивающих быструю взаимную диффузию молекул металла соединяемых деталей через поверхность контакта. К разновидностям контактной сварки относятся стыковая сварка, точечная, роликовая и др.

На стадии освоения и внедрения находится сварка трением (разновидность сварки давлением), при которой разогрев свариваемых поверхностей осуществляется трением их одна о другую.

Широкую возможность открывает осваиваемая в настоящее время сварка ультразвуком, позволяющая сваривать даже сталь с алюминием и его сплавами. Для сварки тугоплавких металлов и получения особо высококачественных швов используется электронно- лучевая сварка, при которой плавление материала производится электронным лучом в вакууме.

Сварные швы, выполненные электродуговой сваркой, подразделяются на две основные группы- стыковые и валиковые. Стыковые швы применяются при соединении деталей торцовыми поверхностями. Эти соединения работают на все виды деформаций и называются соединениями встык. Для сварки соединяемых деталей их кромки разделывают в соответствии с ГОСТом.

Валиковые швы применяются при соединении деталей внахлестку, втавр и углом Соединения внахлестку могут воспринимать нагрузки в плоскости расположения соединяемых деталей. Соединения втавр могут воспринимать все виды нагрузки. Угловые соединения не воспринимают никаких нагрузок.

В соответствиях встык при осевом нагружении деталей швы рассчитываются на прочность по формуле

Где Pp(сж)- сила притяжения (сжатия), воздействующая на шов; l- длина шва; . s- наименьшая толщина свариваемых деталей (условная высота шва); о р (сж)- допускаемое напряжение растяжения (сжатия) шва.

Расчет косого шва на прочность не производится: шов считается равнопрочным по отношению к соединяемым деталям.

Паяные соединения. Паяные соединения выполняются пайкой. При пайке детали нагревают до температуры плавления припоя- специального металла или сплава, плавящего при более низкой температуре, чем металл соединяемых деталей. Расплавленный припой смачивает поверхности деталей и соединяется с ними силами молекулярного сцепления. После остывания детали оказываются соединенными одна с другой прослойкой застывшего припоя. Для облегчения соединения припоя с металлом детали применяют различные вещества- флюсы.

Заклепочные соединения. В заклепочных соединениях детали соединяются специальными элементами- заклепками, представляющими собой цилиндрический стержень 2 с закладной головкой 1 на конце, который вставляется в просверленные или продавленные отверстия в соединяемых деталях. При горячей клепке стальные заклепки предварительно нагревают до 1000 С. Выступающий конец заклепки (его длина выбирается в пределах 1,3-1,7 диаметра заклепки) с помощью обжимки превращается при клепке в замыкающую головку 3 , а стержень заклепки принимает размер отверстия. Разновидностью заклепок являются пистоны- заклепки трубчатого соединения, применяемые для ненагруженных или слабо нагруженных соединений. Форма и размеры заклепок стандартизированы. Заклепки изготавливаются из сталей, алюминия и его сплавов, меди.

Заклепочные швы выполняются внахлестку или встык с одной или двумя накладками. В зависимости от расположения заклепок различают однорядные заклепочные швы, двухрядные и т.д.

Заклепочные соединения рассчитывают на срез стержня заклепок, смятие стержня заклепок или стенок отверстия, а также на срез и разрыв скрепляемых элементов.

Диаметр отверстия под заклепку d обычно берется в полтора раза больше толщины s скрепляемых элементов; шаг заклепок в ряду t для удобства размещения заклепок выбирается в пределах (3-6) d. Для предотвращения среза деталей заклепками расстояние l от первого ряда заклепок до края детали обычно принимается не менее 1,5d.

К классу заклепочных соединений относятся и такие неразъемные соединения, которые получаются после неупругих деформаций соединяемых деталей.

1.Разъемные соединения

К разъемным относятся резьбовые, шпоночные, шлицевые, клиновые и штифтовые соединения. Эти соединения позволяют производить многократную сборку и разборку деталей без каких-либо разрушений элементов соединений.

Резьбовые соединения. В резьбовых соединениях скрепление деталей достигается относительным перемещением резьбовых поверхностей скрепляющих элементов, из которых один имеет внешнюю резьбу, другой - внутреннюю.

Винтовой (резьбовой) называется поверхность которая при вращении вокруг некоторой оси, называемой осью винтовой поверхности, и одновременном поступательном движении вдоль нее может перемещаться по самой себе без изменения формы, при условии, что угол поворота p и осевое смещение l пропорциональны.

Величина S,равная осевому смещению перемещающейся по самой себе винтовой поверхности при ее повороте вокруг оси на угол p=2п (один оборот), называется ходом винтовой поверхности.

Линия пересечения винтовой поверхности с соосным прямым круговым цилиндром называются винтовыми. При развертывании боковой поверхности этого цилиндра винтовая лилия на ней превращается в прямую с углом подъема в. Тангенс угла подъема равен S/2пd , где d –диаметр цилиндра.

Резьбовую поверхность можно получать следующим образом: в некоторой плоскости Q соединим линией L две точки А и В, находящиеся на равном расстоянии от прямой OO , и будем равномерно вращать плоскость Q вокруг прямой ОО одновременно перемещая линию L вдоль нее так, чтобы при повороте плоскости Q на один оборот линия L в плоскости Q смещалась на расстояние, равное АВ. При этом каждая точка линии L будет описывать в пространстве винтовую линию, а вся линия L винтовую (резьбовую) поверхность с осью ОО и ходом S=AB.

Часть тела, ограниченная резьбовой поверхностью, называется резьбой. Линия пересечения резьбовой поверхности с плоскостью, проходящей через ось, называется профилем резьбы. Профиль резьбы периодический. Его период равен шагу или меньше его в целое число n раз. Обозначив период профиля через t, получим S=nt. Величина t называется шагом резьбы. При повороте винтовой поверхности вокруг оси на угол кратный 2 п/t, она отображается на себя. При n=1 резьба называется однозаходной, при n=2 двухзаходной и т.д. Резьба называется правой, если винтовые линии ее идут слева вверх направо, и левой, если они идут справа вверх налево. Левые резьбы в машиностроении применяются редко. В зависимости от формы профиля различают треугольные и круглые резьбы, применяющиеся для крепления деталей, а также упорные трапецеидальные и прямоугольные, использующиеся для передачи движения.

Рассмотрим относительное движение винта 1 и 2, разделенных винтовой поверхностью или ограниченных двумя близкими винтовыми поверхностями. Если поворачивать гайки относительно винта, то она будет перемещаться вдоль оси, сдвигаясь за один оборот на расстояние, равное ходу S. При этом каждый элемент резьбы гайки перемещается по винтовым линиям резьбы винта. Развернув поверхность контакта гайки с винтом , получим плоскость, расположенную под углом, равным углу подъема винтовой линии. При достаточно малых углах в движущая сила q ,будет меньше силы трения, которая пропорциональна силе нормального давления q , и поворачивания гайки под действием осевых усилий не произойдет. Такую винтовую пару называют самотормозящейся. В непрямоугольных резьбах сила трения больше, чем в прямоугольных, так как сила нормального давления возрастает с увеличением угла наклона профиля резьбы.

Для преобразования вращательного движения в поступательное широко применяются винтовые механизмы, представляющие собой кинематическую пару винт – гайка, в котором одно звено может совершать относительно станины только вращательное движение, а другое – только поступательное. Так , в механизме вращательное движение совершает винт 1, а поступательное – гайка 2 (проворачиванию гайки мешает направляющая 3). Примерами использования винтовых механизмов служат привод рычага вилки вариатора в машине МВ-35М и устройство для перемещения стола в сменном механизме МС 27-40. В первом из них поступательно перемещается гайка, во втором - винт. Используются также механизмы с одним неподвижным звеном (винтом или гайкой), при этом второе звено при вращении движется поступательно (таков, например, механизм перемещения клапана в водопроводных вентилях). Винтовые механизмы широко применяются в силовых передачах (винтовых домкратах). К. п. д. винтовых механизмов невысок из-за потерь на трение и при самоторможении не превышает 50%.

Самой распространенной крепежной резьбой является метрическая треугольная резьба с углом профиля 60 (ГОСТ 8724 – 58, ГОСТ 9150 -59, ГОСТ 9000 - 59).

Затупления треугольного профиля сделаны для снижения концентрации напряжений, уменьшения возможности механических повреждений резьбы, повышения стойкости режущего инструмента. Радиальный зазор способствует удержанию смазки в резьбовом соединении.

Треугольные метрические резьбы бывают с крупными и мелкими шагами; при одинаковых диаметрах d они имеют различные значения шага и соответственно глубины профиля.

С уменьшением шага резьбы (при неизменном диаметре) увеличивается устойчивость соединения к самоотвинчиванию; кроме того, ослабляется детали, на которых имеется резьба. С увеличением шага резьбы снижаются требования к точности его изготовления; ошибки изготовления и износ резьбы в меньшей степени сказываются на ее прочности.

Дюймовая резьба – треугольная резьба с углом профиля 55. Эта резьба применяется лишь в старом оборудовании и оборудовании, импортированном из стран, в котором действует дюймовая система мер. В этой резьбе наружный диаметр изменяется в дюймах, а вместо шага задается число ниток (шагов резьбы) на дюйм.

Для соединения труб, арматуры трубопроводов и фитингов применяют трубную резьбу – мелкую дюймовую резьбу с закруглением профиля. В качестве номинального диаметра трубной резьбы условно применяют внутренний диаметр трубы.

Круглая резьба применяется сравнительно редко. В качестве примера можно указать на ее использование в тонкостенных изделиях (например, в цоколях и патронах электрических ламп накаливания).

Трапецеидальная (ГОСТ 9484 -60) и упорная (ГОСТ 10177 -62) резьбы широко применяются для передачи движения. Упорная резьба используется для грузовых винтов с односторонней осевой нагрузкой.

Прямоугольная резьба применяется весьма редко из-за сложности изготовления и быстрого износа (появление люфта).

Резьбовое разъемное соединение деталей осуществляется специальными крепежными деталями – болтами, гайками, винтами, шпильками, шайбами. Все крепежные детали стандартизированы. Иногда резьбовое соединение осуществляется без специальных крепежных деталей; в этом случае соединяемые детали имеют участки с нарезкой.

Болтом называется цилиндрический стержень с резьбой на одном конце и головкой на другом. Гайкой называется тело с внутренней резьбовой поверхностью, которое навинчивается на резьбовой конец болта. Соединяемые детали зажимаются между головкой болта и гайкой. Для свободного пропускания болта соединяемые детали имеют отверстия (прорези).

Винтом называется болт, соединяющий скрепляемые детали без гайки; в этом случае в одной из деталей имеется резьбовое отверстие. Винтовое соединение менее надежно, поскольку возможно разрушение резьбы при многократном ввертывании винта. Обычно винты применяют в том случае, когда отсутствует место для расположения гайки.

Шпилькой называется цилиндрический стержень с резьбой на обоих концах. При соединении с помощью шпильки в одной из деталей делается резьбовое отверстие, в которое до отказа, со значительным усилием, ввертывается один конец шпильки. На другой конец шпильки надевается вторая соединяемая деталь, после чего на свободный резьбовой конец навинчивается гайка. При разборке соединения достаточно отвернуть гайку. Поскольку шпильку при этом можно не вывертывать, соединения посредством шпилек значительно более надежны, чем соединения с помощью винтов. При динамических нагрузках соединения с помощью шпилек надежнее, чем болтовые. Шпильки бывают двух типов: со сбегом резьбы на посадочном конце и с проточной на посадочном конце.

Болты и винты различают по характеру обработки и по конструкции стержня и головки. По характеру обработки болты делятся на черные ( штампованные ), получистые (после штамповки обрабатываются опорная поверхность головки и конец) и чистые (точечные, обработанные кругом) . Широко распространены болты с шестигранной головкой нормальной высоты h=0,7d, а также с увеличенной и уменьшенной головки.

Головки могут быть квадратными, с внутренним шестигранником под ключ, а также полукруглыми потайными и цилиндрическими со шлицом под обыкновенную отвертку либо с крестообразным шлицом под специальную отвертку. Среди конструкций головок, не требующих захвата инструментом при сборке и разборке соединения, наиболее распространены закладная, входящая в пазы одной из скрепляемых деталей, и полукруглая с усом, который, врезаясь в материал детали обеспечивает стопорение болта. Головки со шлицом под отвертку часто встречаются у винтов. Конец нарезанной части болтов и винтов бывает плоским, сферическим, но чаще всего имеет коническую фаску.

Для быстрого соединения и разъединения деталей, подвергающихся частой разборке и сборке, используют откидные болты, кольцевая головка которых крепится подвижно к одной из соединяемых деталей, а стержень болта при повороте вокруг этой оси входит в прорезь другой детали. Для расположения соединяемых деталей на определенном расстоянии одна от другой применяют распорные болты, фиксирующие расстояние между деталями своими буртиками. Для скрепления нескольких деталей и возможности демонтажа одной из них без разборки других (стянутых тем же болтом) применяют болты с промежуточной головкой. Для предотвращения относительного сдвига деталей применят призонные болты с конической головкой, входящей в конические отверстия соединяемых деталей. С этой же целью используют чистые болты, устанавливаемые в отверстия деталей без зазора.

Для облегчения крепления тросами тяжелых изделий к грузоподъемным устройствам применяю рым-болты, головка которых представляет собой кольцо. Для крепления станин к фундаменту используют фундаментные болты, у которых головка заливается в тело фундамента, и анкерные. Для фиксации взаимного расположения деталей (например, для крепления на валу различных рукояток, установочных колец и т.п.) применяют установочные винты. Наиболее распространены установочные винты с плоским, коническим и цилиндрическим концами без головок, имеющие шлицы под отвертку.

Гайки к болтам и шпилькам в зависимости от характера обработки подразделяются на черные, получистые и чистые. Наибольшее распространение получили шестигранные гайки нормальной высоты h=0,8d ,а также увеличенной или уменьшенной (высокие и низкие гайки). Прорезные и корончатые гайки имеют прорези для стопорения их шплинтом. В тех случаях, когда необходимо защитить резьбу выступающей части болта от повреждения, применят закрытые гайки. Гайки бывают квадратными и круглыми. Для завертывания «от руки» используют гайки с накатанной головкой и гайки-барашки.

Шайбы подкладываются под головки гаек (реже болтов) для предохранения соединяемых деталей от повреждений (задиров) при затяжки соединения.

При статических нагрузках сомоотвинчивания гаек в резьбовом соединении не происходит: конструкция резьбы обеспечивает самоторможение пары балт-гайка. Однако при динамических нагрузках и вибрациях возникает необходимость специальных мерах для предотвращения самоотвинчивания гаек . Стопорение гаек можно обеспечить увеличением трения в резьбовом соединении. Так, при затягивании котргайки 1 увеличивается трение между болтом и гайкой, а при стопорении пружинными шайбами повышаются силы трения на опорных торцах винтов и гаек. Стопорение шплинтами прорезных и корончатых гаек и стопорение проволокой просверлинных совместно с болтом обычных гаек осуществляется путем жесткой связи винта с гайкой. Для стопорения применяют также стопорные шайбы, отдельные участки которых (лепестки) после монтажа отгибаются и препятствуют проворачиванию гайки. Резьбовые соединения, которые не подвергаются разборке, можно стопорить путем приваривания гайки или расклепывания конца болта