Вопросы, изложенные в лекции 1 Соединения, классификация. 2 Сварные соединения. 3 Заклёпочные соединения. 4 Соединения с натягом. 5 Паяные и клеевые соединения.

Соединения элементы конструкций механических систем, предназначенные для объединения деталей и узлов в более крупные структурные единицы. Конструктивно соединение выполняется следующими способами : за счет использования отдельных частей соединяемых деталей ; за счет использования вспомогательных деталей ; за счет сил сцепления на поверхности контакта ( сил трения ); за счет молекулярно - механического сцепления деталей соединения. : Классификация соединений: по возможности разборки без разрушения соединяемых деталей – разъёмные и неразъёмные соединения; по возможности относительного взаимного перемещения соединяемых деталей – подвижные и неподвижные соединения; по форме сопрягаемых (контактных) поверхностей – плоское, цилиндрическое, коническое, сферическое, винтовое, профильное соединения; по технологическому методу образования – сварное, паяное, клеёное (клеевое), клёпаное, прессовое, резьбовое, шпоночное, шлицевое, штифтовое, клиновое, профильное соединения.

Сварка – процесс получения неразъёмных соединений, образованных посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при совместном действии того и другого. Сварочный шов - металл, затвердевший после расплавления и соединяющий сваренные детали соединения. Формирование сварочного шва сопровождается частичным оплавлением поверхностей деталей, участвующих в образовании сварного соединения. Поверхности свариваемых деталей, подвергающиеся частичному оплавлению при формировании сварочного шва и участвующие в образовании соединения, называются свариваемыми кромками. Электрод – токопроводящий металлический стержень. Марки электродов различают по значению предела прочности металла шва. Например, Э42; = 420МПа. Флюс – материал, защищающий расплавленный металл электрода от вредного воздействия воздуха (окисление и насыщение азотом). Флюс обеспечивает качество металла шва и устраняет его разбрызгивание.

Находит самое широкое применение в промышленности, строительстве и других областях производства, как с применением неплавящихся ( уголь, вольфрам ) электродов, так и плавящихся. Электродуговую сварку неплавящимся электродом изобрел в конце XIX века ( сварка угольным электродом предложена в 1882 г., патент в 1885 г.) Николай Николаевич Бенардос ( ), а в 1888 г. усовершенствовал этот метод, применив плавящийся металлический электрод, Николай Гаврилович Славянов ( ). В Украине различные виды электросварки разработаны академиком Патоном. В настоящее время многие элементы сварного соединения, полученного электродуговой сваркой стандартизованы.

Достоинства : 1) высокая технологичность сварки, обусловливающая низкую стоимость сварного соединения; 2) возможность получения сварного шва, равнопрочного основному металлу (при правильном конструировании и изготовлении); 3) возможность получения деталей сложной формы из простых заготовок; 4) возможность автоматизации сварочного процесса; 5) герметичность соединений. Недостатки: 1) коробление (самопроизвольная деформация) изделий в процессе сварки и при старении; 2) вероятность появления концентраторов напряжений, поверхностных трещин; 3) сложность контроля качества сварных соединений без их разрушения; 4) низкая прочность при действии ударных и вибрационных нагрузок.

Рисунок 1 Дуговая ручная Рисунок 3 В защитных газах Рисунок 2 Ацетиленокислородная Рисунок 4 Контактная

Рисунок 5 Трением Рисунок 6 Взрывом Рисунок 7 Индукционная Рисунок 8 Диффузионная Рисунок 9 Плазменно- лучевая

Рисунок 10 Конструктивные типы сварных соединений : а ) стыковое ; б ) угловое ; в ) тавровое ; г ) нахлёсточное ; д ) торцовое

Рисунок 11 Поперечное сечение сварочных швов : I стыковых; II угловых Шов стыкового соединения называется стыковым; швы остальных соединений – угловыми.

Рисунок 12 Расположение сварочных швов по отношению к действующей нагрузке : а ) лобовой ; б ) фланговый ; в ) косой ; г ) ком - бинированный

Стыковые швы расчитывают на растяжение (сжатие) (рисунок 13): где F – усилие, воспринимаемое сварочным швом; l – длина шва; допускаемые напряжения растяжения для металла шва. Рисунок 13 Расчет на прочность стыковых швов толщина меньшего из свариваемых листов;

– расчетный катет углового шва. допускаемые касательные напряжения для металла шва. Угловые швы расчитывают на срез по опасному сечению, совпадающему с биссектрисой прямого угла (рисунок 14). Угловой шов предполагается симметричным, т.е. имеющим равные катеты. Условие прочности: где F – усилие, воспринимаемое сварочным швом; l –длина шва; Рисунок 14 Расчет на прочность угловых швов

Существуют следующие способы повышения прочности сварных соединений: - рациональное расположение швов относительно действующих сил (лучше переносить нагрузку на участки целого материала, оставляя за швом только функцию соединения); - защита шва от вредных воздействий при сварке (флюс, защитные газы); Рисунок 15 Влияние термической и механической обработки на усталостную долговечность: тонкие линии – кривые усталости для соединений без термической обработки - механическая обработка шва с приданием шву рациональной формы (снижается концентрация напряжений) (рисунок 15); - пластическая деформация шва в холодном состоянии (накат, дробеструйный наклеп, чеканка и т.д.)

Заклёпочное ( клёпаное ) соединение - неразъёмное неподвижное соединение, образованное с применением специальных закладных деталей заклёпок, выполненных из высокопластичного материала. Применяют для соединения деталей из листового или полосового материала. Рисунок 16 Заклёпочное соединение: а – в процессе сборки; б – в собранном виде 1, 2 – соединяемые детали; 3 – заклёпка; 4 – тело заклёпки; 5 – закладная головка; 6 - замыкающая (высадная) головка. Заклёпочный шов ряд заклёпок, соединяющих кромки двух или нескольких деталей.

Классификация : 1) по функциональному назначению – прочные (предназначенные только для передачи нагрузки); плотные (обеспечивающие герметичное разделение сред); прочно-плотные (способные выполнять обе названные функции). 2) по конструктивным признакам шва – нахлёсточное соединение (рис. 17, а); стыковое соединение, которое может быть выполнено с одной (рис. 17, б) либо с двумя (рис. 17, в) накладками. Область применения: в соединениях, где необходимо исключить сопутствующее сварке термическое воздействие (изменение структуры материала, коробление); в соединениях деталей из разнородных материалов (металл – неметалл, сталь – цветные сплавы и т.д.); в облегченных ферменных и тонколистовых оболочковых конструкциях из легких сплавов (из-за сложности сварки, пониженной вибропрочности, поводке материала при длинных швах).

3) по числу поверхностей среза, приходящихся на одну заклёпку, под действием рабочей нагрузки – односрезные ; двух - и многосрезные. 4) по количеству заклёпочных рядов в шве – однорядные ; двух - и многорядные. Рисунок 17 Основные типы заклёпочных швов: а – нахлёсточный; б – стыковой с одной накладкой; в – стыковой с двумя накладками.

Рисунок 18 Некоторые виды заклёпок : а ) со сферической головкой ; б ) с потайной головкой ; в ) с полупотайной головкой ; г ) полупустотелая с цилиндрической головкой ; д ) пустотелая ( пистон ) Заклепочнае соединения. Классификация

Рисунок 19 Схема горячего (1) и холодного (2) клепания : а ) осадка заклепки клепальным инструментом ; б ) формирование замыкающей ( высадной ) головки Применяют два вида клепки : - горячая клепка ( рисунок 19, 1 ), температура нагрева до пластического состояния. Применяют в силовых и прочноплотных соединениях при ; - холодная клепка ( рисунок 19, 2 ). Усадка заклепки происходит только в результате пластической деформации материала заклепки при расклепывании. (1) (2)

Рисунок 20 Напряжения в заклёпочном шве Различают четыре вида возможных разрушений заклёпочного шва: 1) срез заклёпки; 2) смятие заклёпки; 3) смятие соединяемых деталей; 4) обрыв соединяемых деталей по сечению, ослабленному отверстиями для установки заклепок.

Рисунок 21 Параметры заклёпочного соединения Заклепки меньшего диаметра ( рисунок 21, а ) могут прогнуться в отверстии при проковке ( рисунок 21, в ). Шаг заклепок не должен превышать, иначе плотность стыка между заклепками может нарушаться ( рисунок 21, а, б ). Длина кромки не должна превышать, иначе возможно отставание кромки. Если, то можно повредить кромку при расклепывании. Для повышения герметичности соединения применяют подчеканку кромок ( рисунок 21, г ) а)а) б)б)в)в)г)г)

Рисунок 22 Параметры заклёпочного соединения: а, б, г, д) – нерациональные; в, е, ж) – рациональные соединения. Заклепочное соединение рационально нагружать только на сдвиг, разгружая его от действий изгибающих моментов, вызывающих изгиб стержней заклепок ( рисунок 22, з, и ). Для предотвращения действия изгибающего момента ( от растягивающего усилия ) рекомендуют применять соединения с двумя накладками ( рисунок 22, в ). В угловых соединениях с отбортованными кромками ( рисунок 22, г - ж ) рациональнее располагать заклепки так, чтобы преимущественно они работали на сдвиг ( рисунок 22, е, ж ).

Существуют следующие способы повышения прочности заклепочных соединений: - отверстия под заклепки в склепываемых деталях следует обрабатывать совместно (обеспечивается соосность); - входные и выходные кромки отверстий должны быть заправлены фасками (рисунок 23, а) или галтелями (рисунок 23, б, в); - целесообразно подвергать стыковые поверхности дробеструйной обработке, увеличивающей шероховатость (улучшается сцепление между поверхностями, герметичность); - для горячей клепки применяется выдержка и остывание соединения под постоянной силой до остывания (заполняемость отверстия). Рисунок 23 Формы заклепок и отверстий: а) – фаски; б, в) – галтели.

Соединения с натягом применяют для неразборных или редко разбираемых сопряжений. Сопротивление взаимному смещению деталей в этих соединениях создается и поддерживается силами упругой деформации сжатия (в охватываемой детали) и растяжения (в охватывающей детали), пропорциональными величине натяга в соединении. Достоинства : 1) простота и технологичность; 2) хорошее центрирование; 3) возможность передачи больших знакопеременных нагрузок, в т.ч. и ударных (вагонные колесные пары). Недостатки : 1) потребность в специальных печах и мощных прессах; 2) сложность разборки соединения; 3) колебания посадочных размеров в пределах допусков и, как следствие, рассеивание нагрузочной способности соединения.

Способы получения соединений с натягом: 1) прессование – выполняется на специальных прессах. Однако при запрессовке происходит смятие и частичное срезание неровностей посадочных поверхностей, что снижает прочность соединения; 2) тепловая сборка: - нагрев ступицы производят в горячем масле, ТВЧ или в газовой печи (до ); - охлаждение вала – сухим льдом (до ) или жидким воздухом (до ). Несущая способность тепловой сборки в 1,5…2 раза выше прессования. Недостаток – появление инея. Рисунок 24 Способы запрессовки деталей: а-д) – валов; е-к) – втулок.

При расчете посадки с натягом определяют значение необходимого давления на посадочные поверхности, чтобы сила трения, возникающая на посадочной поверхности соединения, обеспечивала надежную передачу осевой силы, вращающего момента или их комбинации. Несущая способность : 1) Наибольшая осевая сила: 2) Наибольший крутящий момент: давление на посадочной поверхности, МПа; площадь посадочной поверхности, мм: диаметр и длина посадочной поверхности, мм; коэффициент трения, зависящий от размера и профиля микронеровностей, материала (коэффициент линейного расширения), состояния сопрягающих поверхностей и способа сборки. Рисунок 25 Расчетная схема определения несущей способности

Механическая распрессовка: Распрессовываемые детали должны иметь плоские поверхности, являющиеся опорными (рисунок 26, в). Максимальное усилие – в начале распрессовки, т.к. преодолевается трение покоя. Гидрораспрессовка: Масло под давлением 150…200МПа подводят в кольцевую выточку на посадочной поверхности через отверстия в вале или в ступице (рисунок 27). Масло вызывает упругую радиальную деформацию деталей, уменьшает трение, проникает в микронеровности, действуя как клин. Рисунок 26 Механическая распрессовка Рисунок 27 Гидрораспрессовка

Пайка – способ соединения элементов конструкций, образованный за счет химического или физического взаимодействия расплавляемого материала - припоя с соединяемыми кромками деталей. Отличием пайки является отсутствие оплавления соединяемых поверхностей, т.к. температура плавления припоя ниже температуры плавления материалов деталей. Рисунок 28 Некоторые типы паяных соединений: а) встык; б) встык с накладкой; в) в косой стык; г) внахлёстку; д) втавр; е) телескопическое; ж) сотовая конструкция.

Достоинства паяных соединений : 1) возможность соединения разнородных материалов ; 2) возможность соединения тонкостенных деталей ; 3) возможность получения соединения в труднодоступных местах ; 4) коррозионная стойкость и герметичность паяного шва ; 5) малая концентрация напряжений вследствие пластичности припоя ; 6) возможность распайки соединения. Недостатки паяных соединений : 1) пониженная прочность шва в сравнении с основным металлом ; 2) требования высокой точности ( по сравнению со сваркой ) обработки поверхностей, сборки и фиксации деталей под пайку.

1) низкотемпературные ( Т пл < С ) сплавы олова, свинца, висмута, кадмия, индия ; 2) среднетемпературные или мягкие ( < Т пл

Клеевые соединения соединения, образованные под действием адгезионных сил, возникающих при затвердевании или полимеризации клеевого слоя, наносимого на соединяемые поверхности. Клеевые соединения. Общие сведения Достоинства: 1) возможность соединения разнородных материалов, не поддающихся сварке; 2) герметичность и высокая коррозионная стойкость; 3) малая концентрация напряжений. Недостатки: 1) сложность технологических режимов склеивания; 2) зависимость прочности и долговечности от условий эксплуатации (температуры среды, типа нагрузки и т.д.); 3) малая прочность при отрывающих нагрузках с неравномерным ее распределением (отрыв с изгибом).

Конструкционные клеи, склейка которыми способна выдерживать после затвердевания клея нагрузку на отрыв и сдвиг ( клеи БФ, эпоксидные, циакрин и др.). Неконструкционные клеи соединения с применением которых не способны длительное время выдерживать нагрузки ( клей 88 Н, иногда резиновый и др.). Большинство клеев требует выдержки клеевого соединения под нагрузкой до образования схватывания и последующей досушки в свободном состоянии. Некоторые клеи требуют нагрева для выпаривания растворителя и последующей полимеризации. Клеевые соединения часто применяют в качестве контровочных для резьбовых соединений. Как правило, клеевые соединения лучше работают на сдвиг, чем на отрыв. Клеевые соединения. Общие сведения Расчет на прочность: где F – усилие, воспринимаемое соединением; расчетные и допускаемые касательные напряжения. площадь сечения;

Лекция закончена. Спасибо за внимание!