Детали машин: соединения, резьба и ее элементы

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) В.А. КОРОЛЕВ ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА» РАЗДЕЛ «ДЕТАЛИ МАШИН» МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ) Кафедра «Детали машин и теория механизмов» Утверждаю Зав. кафедрой профессор ____________ М.Ю. Карелина «___» _________ 2015 г. В.А. КОРОЛЕВ ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА» РАЗДЕЛ «ДЕТАЛИ МАШИН» МОСКВА МАДИ 2015 УДК 621.81 ББК 34.44 К682 Королев, В.А. К682 Лекции по дисциплине «Прикладная механика» раздел «Детали машин» / В.А. Королев. М.: МАДИ, 2015. – 28 с. Лекции соответствуют рабочей программе курса «Прикладная механика» для студентов МАДИ по направлению подготовки 23.03.01 «Технология транспортных процессов», направленность (профиль) подготовки: «Организация перевозок и управление на транспорте» и «Организация и безопасность движения», квалификация (степень) выпускника – бакалавр. Лекции посвящены разделу «Детали машин» курса «Прикладная механика», в котором отражены две основные темы «Подшипники» и «Соединения деталей машин». По теме «Подшипники» рассмотрены виды и типы подшипников. Представлена классификация, преимущества и недостатки подшипников качения, их конструктивные особенности. По теме «Соединения деталей машин» рассмотрены резьбовые соединения, включая методы изготовления резьбы, заклепочные соединения и сварные соединения, включая виды сварки. УДК 621.81 ББК 34.44 © МАДИ, 2015 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение ...................................................................................................... 4 Лекция 1. Подшипники ................................................................................................. 5 Лекция 2. Соединения деталей машин. Резьба и ее элементы. Методы изготовления резьбы ................................................................. 11 Лекция 3. Резьбовые соединения. Заклепочные соединения .............................. 16 Лекция 4. Виды сварки. Сварные соединения ........................................................ 21 Литература................................................................................................. 27 4 ВВЕДЕНИЕ Машиностроение имеет важнейшее значение в народном хозяйстве страны. На базе машиностроения развиваются все остальные отрасли промышленности и сельского хозяйства. Задачей машиностроения является создание совершенных конструкций высокоэффективных машин. Создаваемые машины должны иметь высокую производительность и кпд, небольшой расход энергии и эксплуатационных материалов при небольшом весе и габаритах, иметь высокие технологические и экономические показатели, быть удобными и безопасными в эксплуатации, быть по возможности автоматизированными, иметь в своем составе наибольшее количество стандартизированных и унифицированных деталей и сборочных единиц. В курсе «Детали машин» изучаются основы расчета и конструирования деталей машин и сборочных единиц общего назначения с учетом рационального выбора материала, технологии изготовления и эксплуатации машин. Все машины состоят из деталей, которые объединяются в сборочные единицы-узлы. Деталь – это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций. Простые детали: болт, гайка, шпонка и т.д. Сложные детали: коленчатый вал, литой корпус редуктора, литая станина. Сборочная единица – это изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на заводе-изготовителе с использованием сборочных операций (свинчиванием, сваркой, пайкой, опресовкой, склеиванием). Сложные сборочные (редуктор, муфта, подшипник). В курсе «Прикладная механика» раздел «Детали машин» посвящен изучению подшипников и соединений деталей машин. 5 ЛЕКЦИЯ 1. ПОДШИПНИКИ Основные виды и типы подшипников. Подшипники качения. Классификация подшипников качения. Основные виды подшипников качения. Основные виды и типы подшипников. Подшипники служат опорами для валов и вращающихся осей. Они воспринимают радиальные и осевые нагрузки, приложенные к валу, и передают их на раму механизма. Во избежание потери КПД потери подшипников должны быть минимальными. От качества подшипников в значительной степени зависит работоспособность и долговечность машины. Подшипники подразделяются: ‒ по виду трения; ‒ по воспринимаемой нагрузке. По виду трения подшипники разделяются: 1) подшипники скольжения, у которых опорный участок вала (цапфа, шип, шейка, пята) скользит по опорной поверхности подшипника. 2) подшипники качения, у которых трение скольжения заменено трением качения за счёт установки шариков или роликов между опорными поверхностями подшипника и вала. По направлению воспринимаемой нагрузке подшипники разделяются: 1) радиальные – воспринимают радиальную нагрузку; 2) упорные – воспринимают осевую нагрузку; 3) радиально-упорные – воспринимают радиальную и осевую нагрузку. Подшипники качения. Конструкция подшипников качения позволяет изготавливать их как стандартную продукцию, что значительно снижает стоимость их изготовления. Подшипники изготавливают в больших количествах на крупных специализированных (подшипниковых) заводах. Подшипники качения получили преимущественное распространение и почти во всех отраслях вытеснили подшипники скольжения. Подшипник качения (рис. 1) представляет собой сборочную единицу включающую наружное кольцо 1 и внутреннее кольцо 2 с беговыми дорожками, между которыми располагаются тела качения 3 и сепаратор 4, который удерживает тела качения на определенном расстоянии друг от друга и направляет их движение. В процессе работы подшипника тела качения катятся по желобам колец, называемым дорожками качения. Одно из колец подшипника, наружное или внутреннее, неподвижно. Преимущества подшипников качения: 1. Сравнительно невысокая стоимость, обусловленная массовым производством. 6 2. Малые потери на трение и незначительный нагрев при работе. 3. Высокая степень взаимозаменяемости обеспечивает удобство монтажа и ремонта машин. 4. Небольшие осевые габариты, простота монтажа и эксплуатации. Рис. 1. Шариковый радиальный однорядный подшипник Недостатки подшипников качения: 1) сравнительно большие радиальные размеры; 2) ограниченная быстроходность, связанная с кинематикой и динамикой тел качения (центробежные силы, гироскопический момент); 3) невысокая работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках и при работе в агрессивных средах; 4) существенное сопротивление вращению, шум при работе и недостаточная долговечность при высоких частотах вращения. Классификация подшипников качения. 1. По направлению действия воспринимаемой нагрузки подшипники разделяются: – радиальные – воспринимают радиальную нагрузку; – упорные – воспринимают осевую нагрузку; – радиально-упорные – воспринимают радиальную и осевую нагрузку. 2. По форме тел качения подшипники разделяются: – шариковые (рис. 2а); – роликовые. Тела качения роликовых подшипников могут быть: – короткими цилиндрическими (рис. 2б); – бочкообразными (рис. 2в); – коническими (рис. 2г); – витыми (рис. 2д); – длинными цилиндрическими (l|/d > 4) или игольчатыми (рис. 2е). 3. По числу рядов качения: – однорядные; – двухрядные; – многорядные. 7 а) б) в) г) д) е) Рис. 2. Формы тел качения подшипников 4. По конструктивным особенностям подшипники разделяются: – самоустанавливающиеся, в которых внутреннее и наружное кольца имеют возможность относительного перекашивания при неточном угловом расположении осей вала и посадочного места подшипника в корпусе; – несамоустанавливающиеся. Основные виды подшипников качения. Радиальный шариковый подшипник (рис. 3) наиболее широко распространен в машиностроении. Предназначен для восприятия, в основном, радиальных нагрузок. Конструкция дорожек качения позволяет воспринимать осевые нагрузки, действующие в обоих направлениях вдоль оси вала, в пределах 70% от неиспользованной радиальной нагрузки. При низких частотах вращения допускают небольшие перекосы внутреннего кольца относительно наружного (до 0°10'). При одинаковых габаритных размерах работают с меньшими потерями на трение и при больших частотах вращения вала, чем подшипники всех других конструкций. Подшипник наиболее простой по конструкции и монтажу имеет относительно низкую стоимость. Рис. 3. Радиальный шариковый подшипник Радиальный роликовый подшипник (рис. 4) воспринимает большие радиальные нагрузки. Благодаря увеличенной контактной поверхности обладает значительно большей, на 70–90%, радиальной грузоподъемностью, чем шариковый радиальный однорядный подшипник одинаковых габаритных размеров. Вместе с тем абсолютно не воспринимает осевые нагрузки, так как не препятствует относительному смещению колец в осевом направлении. Не допускается относительный перекос внутреннего и наружного кольца и соответственно 8 перекос вала. Обычно такие подшипники устанавливают на жестких коротких валах с повышенными требованиями к соосности их посадочных мест. Рис. 4. Радиальный роликовый подшипник Радиально-упорный шариковый подшипник (рис. 5) предназначен для восприятия радиальных и односторонних осевых нагрузок. Способность воспринимать осевую нагрузку зависит от угла контакта . С увеличением угла контакта возрастает величина воспринимаемой подшипником односторонней осевой нагрузки. При попарном расположении подшипников они могут воспринимать осевые силы, действующие в обоих направлениях. Рис. 5. Радиально-упорный шариковый подшипник Радиально-упорный роликовый подшипник (рис. 6) воспринимает одновременно радиальную и одностороннюю осевую нагрузки. Обладает большой радиальной грузоподъемностью, на 70–90% больше грузоподъемности радиально-упорного шарикового подшипника благодаря увеличенной контактной поверхности. Широко применяется в машиностроении, занимает второе место после шариковых радиальных однорядных подшипников. Не допускает относительный перекос внутреннего и наружного колец. Рекомендуется устанавливать подшипники попарно на жестких, коротких валах при повышенных требованиях к соосности посадочных мест. Применяется подшипник при средних и низких частотах вращения. 9 Рис. 6. Радиально-упорный роликовый подшипник Самоустанавливающиеся шариковый (рис. 7) и роликовый подшипники (рис. 8) используются, в основном, для восприятия радиальных нагрузок. Эти подшипники могут также воспринимать и небольшую осевую нагрузку в обоих направлениях вала. Беговая дорожка качения на наружном кольце имеет сферическую форму, что позволяет внутреннему кольцу подшипника перекашиваться относительно наружного. Поэтому такие подшипники способны работать при значительном (до 2...3°) перекосе вала. Способность самоустанавливаться определяет область их применения в конструкциях, в которых трудно обеспечить соосность посадочных мест подшипников и соответственно положение вала без перекоса. Рис. 7. Самоустанавливающийся шариковый подшипник Рис. 8. Самоустанавливающийся роликовый подшипник. Игольчатый подшипник (рис. 9) предназначен для восприятия только радиальной нагрузки. При небольших габаритах по диаметру 10 подшипник обладает значительной радиальной грузоподъемностью. Подшипник не имеет сепаратора, что создает при работе большие потери, из-за трения между иглами и ограничивает частоту его вращения низкой предельной величиной. Не допускается перекос внутреннего кольца относительно наружного. Часто используется для работы в циклических режимах движения. Рис. 9. Игольчатый подшипник Шариковый упорный подшипник (рис. 10а) воспринимает только одностороннюю осевую нагрузку. Двойной упорный шариковый подшипник (рис. 10б) воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях. В целях предотвращения заклинивания шариков от действия центробежных сил этот подшипник применяется только при средней и низкой частоте вращения. а) б) Рис. 10. Упорный шариковый подшипник Все подшипники изготавливаются из высокопрочных специальных подшипниковых сталей с термической обработкой обеспечивающей высокую твердость. Большое влияние на работоспособность подшипника оказывает качество сепаратора, который разделяет и направляет тела качения. В подшипниках без сепаратора тела качения набегают друг на друга и помимо трения качения, действует еще и трение скольжения. Поскольку сепаратор является свободно плавающим и вращающимся элементом, то потери на трение значительно уменьшаются. Большинство сепараторов изготавливаются штамповкой из стальной (латунной, дюралевой, бронзовой или пластмассовой) ленты. 11 ЛЕКЦИЯ 2. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН. РЕЗЬБА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЬБЫ Разъемные и неразъемные соединения. Основные требования, предъявляемые к соединениям деталей машин. Элементы резьбы. Геометрические параметры, характеризующие резьбу. Методы изготовления резьбы. Детали, входящие в состав машины могу быть связаны между собой различными способами. Эти связи можно подразделить на: – подвижные, к которым относятся шарниры, подшипники, зацепления; – неподвижные, к которым относятся резьбовые, сварные, заклёпочные, паянные, клеевые и другие. Неподвижные связи обусловлены необходимостью расчленять машину на узлы и детали, чтобы упростить производство, обеспечить её сборку, ремонт, транспортировку. Неподвижные связи в технике принято называть соединениями. Соединения разделяются на разъёмные и неразъёмные соединения. Разъёмные соединения позволяют производить разборку узла без повреждения входящих в него деталей. К разъемным соединениям относятся: – резьбовые (рис. 11а); – шпоночные (рис. 11б); – шлицевые (рис. 11в); – клиновые (рис. 11г); – клемовые (рис. 11д); – штифтовые (рис. 11е); – профильные (рис. 11ж). а) б) д) в) е) Рис. 11. Разъемные соединения г) ж) 12 Неразъёмные соединения не допускают разборку узла без повреждения или разрушения входящих в него деталей. К неразъёмным соединениям относятся: сварные, заклёпочные, паяные, клеевые, соединения с натягом. Соединения с натягом образуются напресовкой или путем нагрева одной из соединяемых деталей и считаются условно неразборными, так как позволяют производить повторную разборку и сборку, но при этом спрягаемые поверхности частично повреждаются, что приводит к снижению нагрузочной способности соединения. Применение неразъемных соединений диктуется в основном требованиями технологии и экономики. Соединения являются важными элементами конструкций. Многие аварии и отказы в работе машин и конструкций вызваны неудовлетворительной конструкцией соединений. К соединениям предъявляются следующие основные требования. 1. Статическая и динамическая прочность. 2. Равнопрочность материала соединения и материала соединяемых деталей. 3. Жесткость. 4. Плотность. 5. Сохранение физических и химических свойств материала в местах соединения (при сварке структура материала вблизи сварного шва меняется). 6. Универсальность способа, т.е. применение такого способа соединения, позволяющего соединять детали различной формы и размеров, изготовленных из различных материалов. Резьба и ее элементы. Резьба является основным элементом резьбового соединения. Она образуется путем нарезания или накатки канавок по винтовой линии на поверхности деталей. Винтовая линия «amn» образуется гипотенузой прямоугольного треугольника abc при его навивании на прямой цилиндр круглой формы (рис. 12). с S1 n m b d2 a d2 Рис. 12. Образование винтовой линии 13 Профиль резьбы – это контур сечения резьбы в плоскости, проходящей через ось цилиндра. По форме профиля различают: – треугольную резьбу (рис. 13а); – трапецеидальную (симметричную) (рис. 13б); – трапецеидальную (упорная – несимметричная) (рис. 13в); – прямоугольную (рис. 13г); – круглую (рис. 13д). а) б) в) г) д) Рис. 13. Профили резьбы По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбы. У правой резьбы винтовая линия идет слева направо и вверх. Такая резьба получила наибольшее распространение. По числу ходов различают однозаходную, двухзаходную и так далее многозаходную резьбы. В случае, если по параллельным винтовым линиям одновременно перемещаются два или несколько рядом расположенных профилей, то они образуют двух-, трех- и так далее многозаходную резьбу. Заходность резьбы можно определить с торца винта по числу сбегающих витков. Наибольшее распространение получила однозаходная резьба. Все крепежные резьбы однозаходные. Многозаходные резьбы применяются преимущественно в винтовых механизмах. Кроме цилиндрической, изготавливается коническая резьба, основной поверхностью для которой служит конус. Наибольшее распространение имеет цилиндрическая резьба. Коническая резьба применяется при создании плотных соединений для труб, масленок, пробок и других деталей. Геометрические параметры, характеризующие резьбу. Резьбу характеризуют следующие геометрические параметры (рис. 14): d – наружный диаметр резьбы; d1 – внутренний диаметр резьбы; d2 – средний диаметр резьбы. Это диаметр воображаемого цилиндра, поверхность которого пересекает резьбу в таком месте, где ширина витка равна ширине впадины; h – рабочая высота профиля, по которой соприкасаются витки винта и гайки; S – шаг резьбы (расстояние между одноимёнными сторонами двух соседних витков, измеренное в направлении оси винта); 14 S1 – ход резьбы (величина поступательного перемещения образующего профиля за один оборот или величина поступательного перемещения гайки или винта за один оборот). Если S1 = S, то резьба называется однозаходной. Все крепёжные детали однозаходные. Для многозаходных резьб S1 = S·n, где n – количество заходов. – угол подъёма резьбы: tg = S/ d2; – угол профиля. d Винт Гайка = 60° S S/2 S/2 d2 d1 h 0,54S Рис. 14. Геометрические параметры резьбы Все геометрические параметры большинства резьб стандартизированы. Методы изготовления резьбы. Резьбу можно изготовить следующими методами. 1. Нарезкой вручную с помощь метчиков (рис. 15) и плашек (рис. 16). Метод малопроизводительный, применяется в индивидуальном и ремонтном производстве. Рис. 15. Метчик Рис. 16. Плашка 2. Нарезкой на токарно-винторезных или специальных станках. На рисунке 17 показан процесс нарезания резьбы и кинематическая 15 схема токарно-винторезного станка, в составе которой показан ходовой винт, служащий основой для нарезания резьбы. Метод характеризуется сравнительно низкой производительностью, и поэтому применяется в основном в мелкосерийном и индивидуальном производстве. К достоинствам метода относят простоту режущего инструмента и достаточно высокую точность изготовления резьбы. Рис. 17. Нарезание резьбы на токарно-винторезном станке 3. Методом фрезерования на специальных резьбофрезерных станках. Метод используется для нарезания винтов больших диаметров с повышенным требованием к точности (ходовые и грузовые винты, резьбы на валах). 4. Методом накатки на специальных резьбонакатных станкахавтоматах. Метод наиболее высокопроизводительный. Большинство крепежных деталей (болты, винты, шпильки и другие) изготавливают этим методом. 5. Методом отливки. Этим методом используется для изготовления резьбы на литых деталях из чугуна, стекла, пластмассы, металлокерамики и других материалов. 6. Методом выдавливания. Этим методом изготавливают резьбу на тонкостенных давленных и штампованных изделиях из жести, пластмассы и других материалах. 16 ЛЕКЦИЯ 3. РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Преимущества и недостатки резьбовых соединений. Виды резьбовых соединений. Элементы заклепочных соединений. Виды клепки. Виды и конструкции заклепочных соединений. К достоинствам резьбовых соединений относят следующие. 1. Возможность создания и передач больших осевых нагрузок при малых движущих усилиях или моментах. 2. Простота преобразования вращательного движения в поступательное. 3. Возможность образования самотормозящих и несамотормозящих, легко собираемых и разбираемых, взаимозаменяемых, неподвижных и подвижных компактных соединений. 4. Высокая производительность технологий изготовления резьбовых деталей. Основными недостатками резьбовых соединений являются: 1) низкий кпд; 2) неравномерность нагружения сопряжённых витков; 3) значительная концентрация напряжений в резьбовых деталях. Профессор Н.Е. Жуковский проводил исследования и установил, что осевая нагрузка распределяется между витками резьбы неравномерно. У 10 витковой гайки 1 виток воспринимает 34% всей нагрузки, 2 виток – 23%, 3 виток – 15%, а 10 виток только 0,9%. Причиной неравномерности распределения нагрузки между витками являются различные по величине и знаку деформации, испытываемые болтом и гайкой (болт растягивается, а гайка сжимается). Резьбовые соединения являются наиболее широко распространенными разъемными соединениями. К резьбовым соединениям относятся соединения, в состав которых входят болты, винты, шпильки, винтовые стяжки, гайки и другие детали с резьбой. По назначению резьбовые соединения разделяются на неподвижные и подвижные. Неподвижные резьбовые соединения, в которых используются крепежные резьбы, обеспечивают высокую прочность и, если необходимо, герметичность. Подвижные резьбовые соединения, в которых используются ходовые резьбы, обеспечивают высокую точность перемещения, равномерность, плавность и бесшумность хода, удобство реверсирования. В качестве крепежных деталей в неподвижных резьбовых соединениях используются болты (винты с гайками), винты и шпильки. Под болтом (рис. 18а) или винтом (рис. 18б) понимают стержень с головкой и одним резьбовым концом. Шпилька (рис. 18в) имеет два резьбовых конца. 17 а) б) в) Рис. 18. Виды неподвижных резьбовых соединений При использовании болта с гайкой (рис. 18а) в соединяемых деталях не требуется нарезание резьбы, поэтому такое соединение удобно применять при частых сборках и разборках во избежание повреждения резьбы в соединяемых деталях, а также для соединения тонкостенных деталей. Вместе с тем такая конструкция соединения требует места для размещения гайки и возможность доступа инструмента с двух сторон соединения. Если по конструктивным соображениям нет возможности поставить гайку со стороны соединяемой детали, то в ней нарезается резьба и соединение деталей осуществляется с помощью винта (рис. 18б). Масса винтового соединения в общем случае меньше болтового. Вместе с тем винтовое соединение не может применяться при недостаточной прочности материала нижней детали и при ее малой толщине. При больших перегрузках и при повышенных температурах применяются в основном соединения с использованием шпилек (рис. 18в). Соединения шпильками применяют взамен болтового при частых сборках и при невозможности доступа инструмента для удержания гайки со стороны нижней детали, а также вместо винтовых соединений при частых сборках, если нижняя деталь изготовлена из легкого сплава или пластмассы. Крепежные резьбы, используемые в неподвижных резьбовых соединениях, должны быть прочными и самотормозящими и могут быть следующих видов. 1. Треугольная резьба: – метрическая резьба имеет профиль равностороннего треугольника с углом профиля = 60°. Может изготавливаться с крупным и мелким шагом. Резьба с крупным шагом менее чувствительна к точности изготовления и износу. Резьбы с мелким шагом имеют меньшую глубину нарезки, что увеличивает прочность винта, а меньший угол подъема винтовой линии повышает эффект самоторможения и уменьшает вероятность отвинчивания. Вследствие этого резьбу с 18 мелким шагом используют в соединениях с динамической нагрузкой и для тонкостенных деталей; – дюймовая (крепежная) резьба имеет профиль равнобедренного треугольника с углом при вершине = 55°. Используется только в импортном оборудовании; – трубная – мелкая дюймовая резьба с плавными закруглениями вершин и впадин и без радиальных зазоров для уменьшения утечек, вследствие чего она герметична. Применяется для соединения трубопроводов. 2. Круглая резьба. Имеет высокую динамическую прочность. Используется в тяжелых эксплуатационных условиях в загрязнённых средах. 3. Резьба для винтов по дереву (рис. 19). S' S Рис. 19. Винт по дереву Ходовые резьбы используются в подвижных резьбовых соединениях для передачи движения. Применяются в винтовых механизмах и могут быть следующих видов. 1. Прямоугольная резьба. Изготавливается на токарно-винторезных станках, что не обеспечивает высокую точность, и поэтому применяется сравнительно редко и не стандартизирована; 2. Трапецеидальная симметричная с углом при вершине = 30°. Удобна в изготовлении. По сравнению с треугольной резьбой имеет меньшие потери на трение, а по сравнению с прямоугольной резьбой более прочная. Применяется в передачах винт-гайка и для червяков червячных передач; 3. Упорная резьба или несимметричная трапецеидальная с углами при вершине = 27° и ’ = 3°. Применяется для винтов, воспринимающих большую осевую нагрузку в прессах, домкратах, нажимных устройствах прокатных станов, грузовых крюках и других устройствах. Детали с резьбой (болты, винты, гайки, шпильки, стяжки винтовые и другие) изготавливают из мало- и среднеуглеродистых сталей (Ст. 3, Ст. 5, сталь 20, 40, 45 и др.). Резьбовые детали могут изготавливаться из легированных сталей (40Х, 30ХГСА, 38ХА и др.). Заклепочное соединение является неразъемным. В большинстве случаев его применяют для соединения листов и фасонных прокатных профилей. В настоящее время это соединение применяется редко и почти везде вытесняется сваркой. Заклепочные соединения еще применя- 19 ются в конструкциях, воспринимающих большие вибрационные и ударные нагрузки, а также в соединениях из трудно свариваемых или не свариваемых материалов (дюралюминий, текстолит и другие) и в случаях, когда нагрев деталей, возникающий при сварке, недопустим вследствие их отпуска или коробления. Иногда заклепочные соединения применяют в металлоконструкциях и других изделиях, в которых внешние нагрузки действуют параллельно плоскости стыка, а применение сварки, пайки или склеивание деталей невозможно по конструктивным или иным причинам. Основным элементом заклёпочного соединения является заклёпка. Заклёпка представляет собой стержень круглого сечения с головкой. Основные типы заклёпок следующие: – с полукруглой головкой (рис. 20а); – с потайной головкой (рис. 20б); – с плоской головкой (рис. 20в); – с полупотайной головкой (рис. 20г); – трубчатая (рис. 20д). а) б) в) г) д) Рис. 20. Конструктивные формы заклепок Наиболее распространены заклёпки с полукруглой головкой. Место соединения деталей при помощи заклёпок называют заклёпочным швом. Для образования заклёпочного шва в соединяемых деталях делают отверстия, в которые вставляются заклёпки, а затем их выступающие концы расклёпывают до образования замыкающей головки. Отверстия под заклёпки просверливают на сверлильных станках или продавливают на дыропробивных прессах. Продавленные отверстия имеют по периферии мелкие трещины, поэтому соединения с такими отверстиями имеют пониженную прочность. Для облегчения ввода заклёпки в отверстие диаметр последнего должен быть несколько больше диаметра заклёпки. Однако во время клёпки стержень заклёпки осаживается, и диаметр её увеличивается до диаметра отверстия. Клёпка бывает холодная (при диаметре заклёпки до 12 мм) и горячая, когда заклёпка предварительно нагревается до необходимой температуры. Клепку можно производить как вручную, так и машинным способом, с использованием пневмомолотков, прессов и прочих приспособлений. 20 В зависимости от назначения заклепочные швы бывают прочными и плотными. Плотные швы обеспечивают герметичность в резервуарах и котлах. В настоящее время плотные швы почти везде вытесняются сваркой. По конструкции заклёпочные соединения (швы) различают: – внахлёстку (рис. 21а); – встык с одной накладкой (рис. 21б); – встык с двумя накладками (рис. 21в). а) б) в) Рис. 21. Основные виды заклепочных соединений. По расположению заклёпок швы делят на: – однорядные (рис. 22а); – многорядные с рядовым расположением заклёпок (рис. 22б); – многорядные с шахматным расположением заклёпок (рис. 22в). а) б) в) Рис. 22. Схемы расположения заклепок. В зависимости от числа плоскостей среза одной заклёпки швы делят на: – односрезные (рис. 21а) и (рис. 21б); – двухсрезные (рис. 21в); – многосрезные. Заклёпки изготавливают из стали Ст2, Ст3, латуни, дюралюминия и других материалов. Чтобы не было гальванических токов и температурных напряжений, материал соединяемых деталей и заклёпок должен быть одинаковым. Разработаны специальные нормы на размеры заклепочного соединения, позволяющие производить их выбор в зависимости от толщины соединяемых листов. 21 ЛЕКЦИЯ 4. ВИДЫ СВАРКИ. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Преимущества и недостатки сварных соединений. Виды сварки. Виды сварных соединений и типы сварных швов. Сварные соединения образуются путем сваривания деталей в зоне стыка и не требуют никаких вспомогательных элементов. Прочность соединения зависит от неоднородности и непрерывности материала сварного шва и окружающей его зоны. Сваркой называют технологический процесс соединения металлических частей с помощью местного нагрева. В процессе сварки металл свариваемых участков переходит в жидкое или пластическое состояние. Остывший и затвердевший металл соединяет детали и называется сварным швом. Благодаря силам молекулярного сцепления металл сварного шва имеет примерно такую же прочность, как и основной металл конструкции. Сварка в настоящее время в машиностроении является основным видом получения неразъемных соединений. С помощью сварки изготавливают корпуса редукторов, зубчатые колеса, котлы, резервуары, трубы и другие изделия. Преимущества сварных соединений перед заклёпочными: – экономия металла (в среднем 15–20%); – меньшая трудоёмкость; – относительно низкая стоимость оборудования; – возможность автоматизации процесса сварки. Недостатки сварки: – высокая концентрация напряжений в зоне сварки; – коробление деталей сложной конфигурации; – сложность контроля качества сварного шва. Виды сварки: – химическая; – электромеханическая; – электродуговая; –электрошлаковая. Применяют также специальные виды сварки: – атомно-водородную; – ультразвуковую; – диффузионную; – электронно-лучевую; – лазерную и другие. Химическая или газовая сварка. Основана на нагреве соединяемых деталей до плавления высокотемпературным пламенем, образующимся в результате сгорания ацетилена, смешанного с кислородом. В некоторых случаях вместо ацетилена могут использоваться 22 пропан-бутан, метан, пары бензина или керосина. Горючий газ из баллона или специального газового генератора поступает в сварочную горелку. Из баллона в горелку поступает кислород. В горелке они смешиваются в определенном соотношении и на выходе из сопла поджигаются. Пламя расплавляет кромки свариваемых изделий, и присадочный пруток, а также защищает расплавленный металл от атмосферы. Регулировка расхода кислорода и горючего газа осуществляется соответствующими вентилями. Данный вид сварки уступает по качеству шва и экономичности электродуговой сварке. Газовая сварка применяется редко, главным образом для резки металла и в ремонтном деле. Электромеханическая (контактная) сварка. Основана на нагреве соединяемых деталей теплом, выделяемым электрическим током при прохождении через стык свариваемых деталей, имеющий повышенное омическое сопротивление. Стык соединяемых деталей нагревают до пластинчатого состояния и механически сдавливают, что обеспечивает химическое взаимодействие атомов металла. Достоинствами контактной сварки являются быстрота процесса сварки, высокая степень механизации и автоматизации, вследствие чего этот вид сварки широко применяется в машиностроении и строительстве. Различают стыковую, точечную и ленточную или роликовую сварку. Стыковая сварка. Стыковая сварка основана на пропускании через детали электрического тока в несколько тысяч ампер и после оплавления их стыков детали сдавливают. Точечная сварка. При точечной сварке соединение образуется не по всей поверхности стыка, а лишь в отдельных местах, к которым подводятся электроды сварочной машины. Точечной сваркой сваривают листовые детали одинаковой или различной толщины, стержни, листы с угловыми профилями, швеллерами и т.д. Толщина свариваемых деталей из листового материала не должна различаться более, чем в 4 раза. Ленточная или роликовая сварка. При ленточной или роликовой сварке сварочный шов имеет вид узкой непрерывной ленты, расположенной вдоль стыка деталей. Это соединение выполняется с помощью электродов, выполненных в виде роликов, которые катятся в направлении сварки. Роликовая сварка применяется для получения герметичных швов в тонкостенных конструкциях с толщиной стенки до 3 мм – топливных баков, контейнеров, герметичных сосудов и т.д. Электродуговая сварка основана на использовании тепла электрической дуги между электродом и деталью для местного расплавления материалов свариваемых деталей. 23 Различают ручную и автоматическую дуговую сварку. Ручная сварка осуществляется электродом, подача которого и его перемещение вдоль кромок свариваемых деталей осуществляется вручную. Для этой сварки применяют электроды (стальные стержни диаметром 2–12 мм). Расплавившийся в процессе сварки электрод служит присадочным материалом для образования сварного шва. Для сварки используются электроды, покрытые специальной обмазкой, которая предназначена для обеспечения устойчивости горения дуги и защиты расплавленного металла от окисления и азотации. Электроды с тонкой обмазкой используются для получения неответственных сварных швов. Для сварки конструкционных сталей используются электроды с толстой обмазкой. Ручная сварка используется в для сварки конструкций с короткими и неудобно расположенными сварными швами, а также в единичном или ремонтном производстве. Данный способ позволяет сваривать стальные детали толщиной от 1 до 60 мм и более. Автоматическая сварка под слоем флюса разработана академиком Е.О. Патоном. Осуществляется электродом, подача которого и перемещение дуги вдоль кромок свариваемых деталей механизированы. Дуга горит под слоем сварочного флюса, в состав которого входят шлакообразующие, легирующие и раскислительные составляющие. Этот вид сварки имеет высокую производительность процесса сварки, высокое качество сварного шва и позволяет сваривать детали толщиной от 2 мм до 130 мм и более. Автоматическая сварка особенно эффективна в крупносерийном и массовом производстве для различных конструкций с длинными прямыми непрерывными и кольцевыми швами. Электрошлаковая сварка. Электрошлаковая сварка основана на нагреве металла теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну (расплавленный шлак) от электрода к изделию. Этот способ является самым производительным для сварки стальных листов толщиной 40…50 мм. С увеличением толщины свариваемых листов эффективность сварки возрастает. Электрошлаковая сварка используется для сварки стальных и чугунных изделий, например, станины прокатных станов, прессов, молотов и других изделий, толщиной до 1 м и более. При этом способе сварки расход электроэнергии в 1,5–2 раза, а флюса в 20–30 раз меньше, чем при автоматической сварке под слоем флюса. Виды сварных соединений и типы сварных швов. По взаимному расположению соединяемых элементов сварные соединения разделяются на следующие виды. 1. Стыковые соединения (рис. 23а) – соединяемые детали являются продолжением друг друга и свариваются по торцам. Наиболее 24 простые и надежные. Имеют прочность близкую к прочности основного металла, обеспечивают наименьшую массу и концентрацию напряжений. Встык сваривают трубы, швеллеры, уголки и другие фасонные профили. 2. Нахлесточные соединения (рис. 23б) – боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают друг друга, сварка производится по кромкам перекрытия. 3. Тавровые соединения (рис. 23в) – торец одной детали примыкает под углом (чаще всего 90°) и приварен к боковой поверхности другой детали. 4. Угловые соединения (рис. 23г) – соединяемые элементы приваривают по кромкам под углом друг к другу. Их используют при сварке корпусных деталей (коробок, емкостей, крышек, рам, станин и т.д.). а) б) в) г) Рис. 23. Виды сварных соединений В зависимости от типа (сечения) сварного шва различают сварные соединения со стыковыми швами (в стыковых и тавровых соединениях) и сварные соединения с угловыми швами (в нахлесточных, тавровых и угловых соединениях). Стыковыми называют такие швы, которые соединяют торцы деталей, находящихся в одной плоскости. В зависимости от толщины свариваемых деталей сварка может выполняться с одной стороны соединения или с двух. Поэтому сварные швы разделяют на односторонние (рис. 24а) и двухсторонние (рис. 24б и в). Односторонние сварные швы плохо провариваются на обратной стороне шва, двухсторонние хорошо провариваются с обеих сторон, поэтому их прочность выше, чем прочность односторонних. Для лучшего провара металла в стыке и облегчения доступа электрода к оплавляемым поверхностям кромки соединяемых деталей подвергают механической обработке. Детали небольшой толщины сваривают без обработки кромок. Кромки толстых деталей обрабатывают. Форма и размеры обработки кромок зависят от толщины свариваемых деталей. В зависимости от формы подготовленных кромок швы бывают: – V-образные (рис. 24а); 25 – К-образные (рис. 24б); – Х-образные (рис. 24в) и другие. а) б) в) Рис. 24. Формы подготовки кромок в стыковых соединениях При автоматической сварке происходит более глубокое проплавление металла, поэтому толщина свариваемых деталей без обработки кромок в 1,5–2 раза больше, чем при ручной. Швы, предназначенные для соединения элементов, расположенных в разных плоскостях, например, в нахлесточных, тавровых и угловых соединениях (рис. 23б, в, г), называют угловыми. Угловые швы в некоторых конструкциях (угловые соединения) иногда служат только для соединения элементов и не предназначены для передачи нагрузок, так как из-за высокой концентрации напряжений в таких швах, при переменных нагрузках в них могут развиваться трещины. В зависимости от формы поперечного сечения, различают угловые швы следующих видов: – нормальные (рис. 25а), профиль которых представляет собой равнобедренный треугольник. Наиболее широко используются; – вогнутые (рис. 25б), применяются в ответственных конструкциях при переменных нагрузках, так как вогнутость шва обеспечивает плавный переход, что снижает концентрацию нагрузок. Вогнутый профиль получается в результате специальной механической обработки шва, что повышает стоимость соединения; – выпуклые (рис. 25в) являются нерациональными, так как вызывают повышенную концентрацию напряжений; – специальные (рис. 25г), профиль которых представляет собой неравнобедренный треугольник. Такая форма шва создает плавные переходы между деталями и снижает концентрацию нагрузок. Применяется при переменных нагрузках. В основном применяются швы нормального сечения, в которых катет шва к равен толщине листа (рис. 25а). а) б) в) Рис. 25. Формы сечений угловых швов г) 26 В зависимости от расположения по отношению к направлению нагрузки различают угловые швы: – лобовые (рис. 26а), которые расположены перпендикулярно направлению действия нагрузки; – фаланговые (рис. 26б), которые расположены параллельно направлению действия нагрузки; – косые (рис. 26в), которые расположены под некоторым углом к направлению действия нагрузки; – комбинированные (рис. 26г), которые состоят из лобовых и фланговых сварных швов. а) б) в) г) Рис. 26. Виды сварных швов в нахлесточных соединениях Основные типы и размеры сварных швов, а также размеры определяющие подготовку кромок приведены в ГОСТ. 27 ЛИТЕРАТУРА 1. Гузенков, П.Г. Детали машин: учеб. для вузов / П.Г. Гузенков. – 4-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 1986. – 439 с. 2. Дианов, Х.А. Детали машин. Курс лекций / Х.А. Дианов, Н.Г. Ефремов, В.Г. Мицкевич. – М.: РГОТУПС, 2003. – 124 с. 3. Детали машин и основы конструирования: учеб. для вузов / Г.И. Рощин, Е.А. Самойлов, Н.А. Алексеева [и др.]: под ред. Г.И. Рощина и Е.А. Самойлова. – М.: Дрофа, 2006. – 415 с. 4. Детали машин и основы конструирования / под. ред. М.Н. Ерохона. – М.: Колос, 2005. – 462 с. 5. Иванов, М.Г. Детали машин: учебник для машиностроительных специальностей вузов / М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. – 12-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2008. – 408 с. 6. Иосилевич, Г.Б. Детали машин: учебник для студентов машиностроит. спец. вузов. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с. 7. Тюняев, А.В. Детали машин: учебник. / А.В. Тюняев, В.П. Звездаков, В.А. Вагнер. – 2-е изд., испр. и доп. – СПб.: Лань, 2013. – 736 с. Учебное издание КОРОЛЕВ Виктор Андреевич ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА» РАЗДЕЛ «ДЕТАЛИ МАШИН» Редактор Т.А. Феоктистова Подписано в печать 17.12.2015 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 250 экз. Заказ . Цена 65 руб. МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.