Соединения посадкой на конус

Соединения посадкой на конус применяют преимущественно для закрепления деталей на концах валов (рисунок 8.8).

Натяг и контактные давления создают, например, затяжкой гайки, нагружающей соединение осевой силой Fзат. В отличие от цилиндрического коническое соединение легко монтируют и демонтируют без применения специального оборудования. Другие достоинства: точное центрирование, возможность контроля натяга по осевому перемещению или силе затяжки, возможность многократных сборок и разборок, а также подтяжки при ослаблении натяга в эксплуатации.

 

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

9.1 Общие сведения

Сварные соединения – наиболее распространенный тип неразъемных соединений. Их

получают формированием межатомных связей в свариваемых деталях путем местного нагрева в зоне их соединения до жидкого состояния или путем пластического деформирования

деталей в зоне стыков с нагревом или без нагрева (сварка взрывом).

Сварное соединение получают путем местного нагрева:

– с расплавлением металла без приложения силы (электродуговая, газовая, электроннолучевая);

– без расплавления металла и с приложением силы (контактная).

Достоинства сварных соединений.

1. Малая масса. По сравнению с заклепочными соединениями экономия металла со-

ставляет 15-20 %. По сравнению с литыми стальными конструкциями экономия по массе составляет до 30 %.

2. Малая стоимость. Стоимость сварной конструкции из проката примерно в 2 раза ниже стоимости литья и поковок.

3. Экономичность процесса сварки, возможность его автоматизации. Это связано с малой трудоемкостью процесса, сравнительной простотой и дешевизной оборудования.

4. Плотность и герметичность соединения.

5. Возможность получения конструкций очень больших размеров.

Недостатки сварных соединений.

1. Возможность получения скрытых дефектов сварного шва (трещины, непровары,

шлаковые включения).

2. Трудность контроля качества сварного шва.

3. Коробление деталей из-за неравномерности нагрева в процессе сварки.

4. Невысокая прочность при переменных режимах нагружения. Сварной шов является сильным концентратором напряжений.

Угольно-дуговая сварка впервые предложена Н.И. Бенардосом в 1882 г. Н.Г. Славянов

в 1888 г. предложил сварку металлическим электродом.

Применение. В машиностроении сварку применяют для получения заготовок деталей из проката в мелкосерийном и единичном производстве. Сварными выполняют станины, рамы, корпуса судов, кузова автомобилей, обшивку железнодорожных вагонов, трубопроводы,мосты, антенны радиотелескопов.

Наибольшее распространение получили соединения электродуговой и газовой сваркой.

Хорошо свариваются низко- и среднеуглеродистые стали. Высокоуглеродистые стали, чугуны и сплавы цветных металлов свариваются хуже.

По конструктивным признакам (по взаимному расположению соединяемых элементов) сварные соединения разделяют на:

– стыковые – свариваемые элементы примыкают торцовыми поверхностями и являются продолжением один другого (рисунок 9.1, а);

– нахлесточные – боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают друг друга (рисунок 9.1, б);

– тавровые – торец одного элемента примыкает под углом (90 ) и приварен к боковой поверхности другого элемента (рисунок 9.1, в);

– угловые – соединяемые элементы приваривают по кромкам один к другому (

В зависимости от типа сварного шва различают сварные соединения:

– со стыковыми швами;

– с угловыми швами.

Исходное условие проектирования сварного соединения – обеспечение равнопрочности сварного шва и соединяемых элементов.

Сварные стыковые соединения.

Если стыковое соединение образуют два металлических листа, то их сближают до соприкосновения по торцам и сваривают.

При автоматической сварке в зависимости от толщины деталей сварку выполняютодносторонним (рисунок 9.2, а) или двусторонним (рисунок 9.2, б) швами. При толщинах до 15 мм сварку выполняют без специальной подготовки кромок. При большей толщинелистов предварительно выполняют специальную подготовку кромок (рисунок 9.3).

При ручной сварке без подготовки кромок сваривают листы толщиной до 8 мм. Шов

накладывают с одной стороны (при 3 мм) или с двух сторон (3 8 мм).

В районе сварного шва из-за высокой местной температуры может произойти изменение физических, химических, структурных свойств основного металла и, как следствие, понижение его механических характеристик – появляется так называемая зона термическоговлияния (рисунок 9.4). Поэтому разрушение сварного соединения происходит обычно в зоне влияния, т.е. вблизи сварного шва.

Стыковое соединение выполняется из листов, полос, труб, уголков, швеллеров и др.

Сварные нахлесточные соединения.

Сварное нахлесточное соединение выполняют фланговыми (рисунок 9.6, а) или лобовыми (рисунок 9.7) швами. При этом шов заполняет угол между боковой поверхностью одного элемента и кромкой другого. Такие швы называют угловыми. Угловые швы выполняют однопроходными и много проходными, без скоса кромок и со скосом кромок.

Основными характеристиками углового шва являются (рисунок 9.6, б):

– катет k (по аналогии со стороной прямоугольного треугольника);

– рабочая высота a (определяет наименьшее сечение в плоскости, проходящей через

биссектрису прямого угла, по которому происходит разрушение – срез). Обычно для шва приручной сварке a 0,7k. Автоматическую сварку характеризует более глубокий провар:a k. Условия работы такого шва более благоприятные.

Не рекомендуется применять катет менее 3 мм.

Фланговым называют шов, располагаемый параллельно, а лобовым – перпендикулярно

линии действия внешней силы. Величина нахлестки l должна быть не менее 4, где –толщина листа.

Сварные тавровые соединения.

Тавровое соединение образуют элементы, расположенные во взаимно перпендикуляр-

ных плоскостях (рисунок 9.12). Такое соединение может быть выполнено швами с глубокимпроплавлением (рисунок 9.12, б и в), получаемыми при автоматической сварке и при сварке с предварительной подготовкой кромок (стыковым швом), или угловыми швами при ручнойсварке (рисунок 9.12, г). Метод расчета соединения зависит от типа шва.

Швы с глубоким проплавлением (рисунок 9.12, б и в) прочнее основного металла.

При нагружении соединения силой F разрушение происходит по сечению детали в зонетермического влияния. Расчет проводят по нормальным напряжениям растяжения:

Учет сварки проявляется в том, что принимают допускаемые напряжения для сварногошва, хотя расчет проводят по основному металлу.

Угловой шов (рисунок 9.12, г) менее прочен, чем основной металл. Поверхность раз-

рушения расположена в биссектральной плоскости шва, как в лобовых и фланговых швахнахлесточных соединений.

Выбор допускаемых напряжений для расчета сварных соединений

Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке задают в до-

лях от допускаемого напряжения [р ] основного металла на растяжение (таблица 9.1):

Напряжения Автоматическая и механизированная под флюсом Ручная дуговая электродами

Э42А, Э50А Э42, Э50

Растяжения [р ][р ] [р ] [р ]

Сжатия [сж___________][р ] [р ] [р ]

Среза [cр ]0,8[р ] 0,65[р ] 0,6[р ]

 

ПАЯНЫЕ И КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

10.1 Паяные соединения

10.1.1 Общие сведения.

Пайка – способ соединения элементов конструкций межатомными связями между материалами соединяемых деталей и присадочным материалом, называемым припоем.

Припой – сплав (на основе олова, меди, серебра) или чистый металл, вводимый в рас-

плавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями с последующей его кристаллизацией. Температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей.

Отличие пайки от сварки – отсутствие расплавления или высокотемпературного нагрева материала соединяемых деталей.

Достоинства.

1. Возможность соединения не только однородных, но и разнородных материалов (стали со сплавами цветных металлов; металлы с графитом, фарфором; керамика с полупроводниками).

2. Возможность соединения тонкостенных элементов, в которых применение сварки

невозможно из-за опасности прожога.

3. Возможность изготовления конструкций из тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, тантала, вольфрама), плохо поддающихся сварке.

4. Возможность распайки (разборки) без разрушения конструкций.

5. Малая концентрация напряжений вследствие высокой пластичности припоя.

6. Возможность получения соединения деталей в скрытых и труднодоступных местах

конструкции.

7. Возможность соединения за один прием в единое целое множества элементов, со-

ставляющих изделие.

Недостатки.

1. Необходимость малых и равномерно распределенных зазоров между соединяемыми

деталями, что требует их точной механической обработки и качественной сборки.

2. Необходимость тщательной очистки поверхностей перед пайкой.

Способы пайки.

Нагрев припоя и деталей в зависимости от их размеров осуществляют паяльником, газовой горелкой, ТВЧ, в термических печах и др. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей деталей при пайке применяют флюсы (на основе буры, канифоли, хлористого цинка), а также паяют в вакууме или в среде нейтральных газов (аргона).

При пайке с нагревом ТВЧ или в термической печи припой укладывают в процессе

предварительной сборки деталей в месте шва в виде проволочных контуров, фольговых прокладок, лент или паст в смеси с флюсом.

Расплавленный припой растекается по нагретым поверхностям стыка деталей и при охлаждении кристаллизуется, прочно соединяя детали.

Конструкции паяных соединений.

Паяные силовые соединения выполняют стыковыми (рисунок 10.1, а), нахлесточными

(рисунок 10.1, б) и тавровыми (рисунок 10.1, в).

Паяные соединения предпочтительно выполнять нахлесточными, наиболее полно ис-

пользующими площадь сопряжения соединяемых деталей. Площадь перекрытия назначают так, чтобы прочность паяного соединения была равна прочности целой детали (условие равнопрочности). Стыковые и тавровые соединения имеют ограниченную площадь контакта.

Для увеличения площади применяют косостыковые соединения, однако при этом трудно с высокой точностью обеспечить требуемое взаимное расположение соединяемых деталей.

Стыковые и тавровые соединения применяют при действии небольших статических нагрузок.

На практике применяют также телескопические (рисунок 10.2, а), соприкасающиеся

(рисунок 10.2, б и в) соединения, фальцевый замок (рисунок 10.2, г).

Размер зазора в стыке определяет прочность соединения. При малом зазоре лучше проявляется эффект капиллярного течения припоя, процесс растворения материала деталей врасплавленном припое распространяется на всю толщину паяного шва (прочность образующегося раствора на 30 … 60 % выше прочности припоя).

Клеевые соединения.

Клеевыми называют неразъемные соединения элементов конструкций неметалличе-

ским веществом, образующим между ними тонкую прослойку, посредством поверхностного схватывания и межмолекулярных связей в клеящем слое.

Достоинства.

1. Возможность соединения деталей из однородных или неоднородных материалов,

существенно отличающихся по физико-механическим свойствам.

2. Возможность соединения элементов конструкций небольшой толщины.

3. Малая концентрация напряжений и высокое сопротивление усталости.

4. Хорошие тепло-, звуко- и электроизолирующие свойства.

5. Возможность получения изделий сложной формы, с плавными обводами, без выступающих частей.

6. Малая масса самой клеевой прослойки.

Недостатки.

1. Нестабильность физико-механических и электрических свойств во времени (старение).

2. Ухудшение механических характеристик при низких и высоких температурах, воз-

действии биосреды, химических реагентов.

3. Необходимость тщательной подготовки поверхностей под склеивание.

4. Длительное время отверждения.

5. Сравнительно невысокая прочность

9.2.2 Конструкции клеевых соединений.

При проектировании клеевых соединений учитывают, что клеевые швы обладают высокой прочностью при сдвиге и невысокой при отрыве.

Нахлесточные соединения наиболее распространены (рисунок 10.5, а).

Они хорошо работают при сдвиге и сжатии и являются самыми простыми и дешевыми в производстве. Проектировать соединение нужно так, чтобы внешние силы действовали только в плоскости клеевого слоя. Площадь клеевого соединения лучше увеличивать увеличением его ширины, а не удлинением нахлестки, что объясняется неравномерностью распределения напряжений по длине соединения. Благоприятное влияние на прочность соединения оказывают скосы кромок.

Соединениям с накладками (рисунок 10.5, б) присущи неравномерность распределе-

ния напряжений по длине стыка и возникновение отрывающих напряжений по длине стыка и возникновение отрывающих напряжений у концов накладок. Соединения с односторонней накладкой применяют в таких конструкциях, где одна сторона должна быть ровной. Для увеличения прочности применяют две накладки, края скашивают (рисунок 10.5, в).

Стыковые соединения рационально применять при больших площадяхсоединения

Наибольшую прочность имеет усовое соединение, выполненное по косому срезу (рисунок10.6, а). Шпунтовые (рисунок 10.6, б), шиповые и зубчато-шиповые соединения применяют в основном для соединения деревянных деталей.

В тавровых соединениях для увеличения прочности следует увеличить площадь

склеивания (рисунок 10.7), сделать скосы у кромок клеевого шва.

Условия для получения качественного клеевого соединения:

– коэффициенты линейного и объемного расширения склеиваемых материалов и клея

равны или близки друг к другу;

– конструкция деталей допускает двусторонний подход к клеевым швам и позволяет

создать требуемое при склеивании технологическое давление;

– зазоры в клеевых соединениях между поверхностями, прижатыми друг к другу с оп-

тимальным давлением, не превышают 0,1 мм;

– предусмотрена защита кромок клеевых швов от проникновения влаги (лаками, крас-

ками, замазками).

ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

В настоящее время заклепочные соединения находят применение в судостроении, са-

молетостроении, машиностроении и др. Сооружениях, где по тем или иным причинам применение сварки исключается.

Заклепка – стержень круглого сечения с головками на концах, одну из которых, назы-

ваемую закладной, выполняют на заготовке заранее, а вторую, называемую замыкающей,формируют при клепке.

Заклепочное соединение получают следующим образом. В отверстие соединяемых де-

талей вставляют заклепки. Под закладную головку устанавливается инструмент-поддержка.

Выступающий конец заклепки (l1 1,5dз) осаживают обжимкой в замыкающую головкуспец. клепальной машиной или вручную.

Клепка производится в холодную (для стальных заклепок Pр P / z. мм) или с нагревом1000 – 1100 С при dз 12 мм.

Заклепки из цветных металлов и сплавов осаживают без нагрева.

Диаметры отверстий под заклепки dотв:

Достоинства заклепочных соединений:

– высокая прочность и надежность соединения;

– удобство контроля качества клепки;

– повышенная сопротивляемость ударным и вибрационным нагрузкам;

– возможность соединения деталей из трудносвариваемых металлов.

Недостатки:

– сравнительно высокая стоимость и трудоемкость получения заклепочного соединения;

– повышенный расход материала (увеличение толщины соединяемых деталей из-за ослабления отверстиями, необходимость применения накладок);

– невозможность соединения деталей сложной конфигурации.

Кратко обоснуем перечисленные недостатки. Разметка, сверление, нагрев заклепок, закладка и клепка делают процесс трудоемким, а с учетом применения дорогостоящего оборудования (станки, прессы, клепальные машины) – дорогостоящим. Ослабление деталей отверстиями под заклепки требует увеличения площади сечения основного материала, применение накладок для получения соединений, большая масса заклепок приводят к повышенному расходу материала для заклепочного соединения.

Область применения:

– в конструкциях, воспринимающих большие вибрационные и ударные нагрузки;

– при изготовлении конструкций из трудносвариваемых материалов (дюралюминий);

– в конструкциях с повышенными требованиями к надежности соединения.

11.1 Классификация заклепочных швов.

Конструктивные разновидности заклепок и их материалы

Заклепочные швы делят:

а) по назначению:

1) прочные швы (мостовые и крановые фермы, самолеты), обеспечивающие проч-

ность соединения;

2) плотные швы (газопроводы, резервуары), обеспечивающие прочность и герме-

тичность;

б) в зависимости от взаимного расположения склепываемых деталей:

1) швы встык с одной или двумя накладками;

2) швы внахлестку;

в) по числу рядов заклепок:

1) однорядные;

2) многорядные (двух-, трех- и не более 6 рядов);

г) по расположению заклепок в рядах:

1) швы параллельные;

2) швы шахматные;

д) по условиям работы (по числу плоскостей среза):

1) односрезные швы – с одной плоскостью среза каждой заклепки;

2) многосрезные.

Типы заклепок.

Выбор формы закладной головки зависит от назначения заклепочного шва.

1. Заклепки с полукруглой головкой (в швах, требующих большой прочности и плотности) (рисунок 11.1).

2. Заклепки с потайной и полупотайной головкой (используют в том случае, когда вы-

ступающие закладные головки заклепок мешают перемещению каких-либо деталей или вслучае больших гидродинамических и аэродинамических сопротивлений (судостроение, самолетостроение)).

3. Заклепки с бочкообразной головкой (при омывании заклепок горячими газами (топка

парового котла) в коррозионной среде).

4. Заклепки с широкой головкой (для соединения тонколистовых (до 1,5 мм) материа-

лов).

5. Трубчатые заклепки (в слабонагруженных металлических соединениях, в соединениях неметаллических материалов).

Материал заклепок.

Изготавливают из малоуглеродистых сталей 10 (Ст2), 15 (Ст3), легированной стали

12Х18Н9Т, меди М3, латуни Л63, алюминиевых сплавов АД1, Д18, Амг5 и др.

Требования, предъявляемые к материалу заклепок:

– высокая пластичность;

– однородность с основным материалом (для предотвращения появления электрокоррозии);

– одинаковый коэффициент линейного расширения (во избежание дополнительных

температурных напряжений).