Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ВАЛАХ ТОЧЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к методам изготовления, восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин электромеханической обработкой, направлено на повышение долговечности шпоночных соединений на валах в условиях массового и ремонтного производства.

Плотные соединения (посадки) шпонок на валах обеспечиваются точным изготовлением стандартных размеров шпонок и шпоночных пазов на валах, зависящих от диаметра вала (см. Радкевич, Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация: учебное пособие / Я.М. Радкевич, А.Г. Схиртладзе, Б.И. Лактионов. - 2-е изд. - Саратов: Вузовское образование, 2019. - 791 с. и Яковлев, С.А. Лабораторный практикум по метрологии: учебное пособие / С.А. Яковлев - Ульяновск: УлГАУ, 2017. - 116 с). Для получения плотных соединений шпонка по ширине делается на десятки микрометров больше ширины шпоночного паза, что позволяет получить натяг при сборке шпонки с валом, как правило, с помощью пресса.

Недостатками таких технологий является необходимость закалки вала по шпоночному пазу до необходимой твердости. Процессы закалки отличаются сложностью и большими затратами энергии, большим термическим влиянием на деталь, что приводит к значительным деформациям изделий. Кроме того после закалки необходимо применять дополнительные методы финишной механической обработки для получения точных размеров шпоночного паза.

Известны способы электромеханической обработки деталей машин на металлорежущих станках (Яковлев С.А. Влияние электрофизических параметров на электромеханическую обработку деталей машин: монография / С.А. Яковлев. - Ульяновск : УВАУ ГА (И), 2014. - 129 с.) при которых через зону контакта деформирующего электрод-инструмента (ролика или пластины) и детали проходит ток большой плотности (10⁸-10⁹ А/м²) и низкого (1-6 В) напряжения, вследствие чего на контактирующей поверхности изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла внутрь детали, что приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости.

Однако данные способы не позволяют обеспечить нужное соединение шпонки на валу.

Известен способ упрочнения деталей из среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей (Патент №2270259 принят за прототип), включающий упрочнение путем кратковременного высокотемпературного воздействии тока силой 16 кА с нанесением на поверхность детали пятен контакта в шахматном порядке или по линиям армирования.

В результате применения этого способа формируются точечные упрочненные участки, что повышает износостойкость деталей, не требуется дальнейшей механической обработки и расхода дополнительных материалов.

Однако данный способ не применим для получения шпоночных соединений на валах.

Известен способ получения шпоночного соединения на валах, включающий установку шпонки в шпоночный паз вала с зазором, нагрев шпоночного паза электродом-инструментом для электромеханической обработки и пластическую деформацию металла (патент РФ №2713887 - принят за прототип), отличающийся тем, что электрод-инструмент устанавливают вертикально и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,3…1,5 мм от края паза с обеспечением осадки и раздачи металла вала в сторону паза, при этом раздача металла ограничена шпонкой.

При обработке по данному способу происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа.

Недостатком такого способа является необходимость применения специального станочного оборудования или приспособлений, обеспечивающих равномерное перемещение с определенной скоростью электрод-инструмента вдоль шпоночного паза. Еще одним недостатком является необходимость применения больших токов и усилий прижатия инструмента к детали для эффективной осадки и раздачи металла в сторону паза. Применение больших токов при непрерывной электромеханической обработке вдоль шпоночного паза приводит к значительному нагреву вала и снижению его способности охлаждать нагретые до аустенитного состояния объемы металла, что может привести к короблению валов небольших размеров и уменьшению упрочняющего эффекта

Достигаемый технический результат по заявленному изобретению -это упрощение способа и повышение эффективности получения плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза за счет перераспределения металла применением точечной электромеханической обработки с использованием шпонки, установленной в шпоночный паз.

Указанный технический результат достигается за счет того, что обработку проводят прерывисто точками (участками) округлой формы площадью 3…80 мм², электрод-инструмент устанавливают сверху под углом 15…55° к вертикальной плоскости на расстоянии 1…2,5 мм от края паза, причем первую точку обрабатывают в середине шпоночного паза, вторую точку обрабатывают в начале шпоночного паза, после чего следующие точки обрабатывают в обратноступенчатом порядке в сторону конца шпоночного паза с определенным шагом, обеспечивающим расстояние межу точками 0…10 мм.

На фиг. 1 представлена схема установки шпонки в шпоночном пазу. Шпонка 2 устанавливается на дно шпоночного паза вала 1 и прижимается к одной из боковых поверхностей шпоночного паза, образуя зазор. Величина зазора может составлять десятки микрометров, для изношенных шпоночных пазов величина зазора может достигать до 2 мм.

На фиг. 2 представлена схема получения шпоночного соединения на валах. Способ осуществляется следующим образом. На специальной оправке (не показана) крепится инструмент 5 для электромеханической обработки шпоночного паза. Инструмент при обработке прижимается сверху под углом 15…55° к вертикальной плоскости на расстоянии 1…2,5 мм от края паза вала 1 с усилием Р.

Инструмент для электромеханической обработки 5 подсоединен с помощью токоподводящих кабелей 4 к источнику питания - силовому модулю для ЭМО 3, образуя с деталью общую электрическую цепь. При кратковременном замыкании электрической цепи происходит мгновенный нагрев (током до 5000 А) в месте контакта инструмента 5 с поверхностью шпоночного паза выше температуры выше фазовых превращений и механическое воздействие этим инструментом находящимся сверху под углом 15…55° к вертикальной плоскости с усилием Р. Это позволяет инструменту 5 в горячем состоянии более эффективно осаживать поверхность шпоночного паза с раздачей в сторону шпоночного паза. Деформация металла в сторону шпоночного паза ограничивается наличием шпонки.

При выключении электрического тока источник термомеханического воздействия устраняется, что приводит к последующему быстрому охлаждению нагретых участков вглубь детали за счет ее массы, в результате чего происходит упрочнение поверхностного слоя боковой поверхности шпоночного паза. После этого инструмент для электромеханической обработки 5 перемещается в следующую точку (участок).

На фиг. 3 представлен вид сверху шпоночного соединения со схематической последовательностью нанесения точек (участков) вдоль шпоночного паза. Первую точку обрабатывают в центре шпоночного паза, вторую точку обрабатывают в начале шпоночного паза, после чего следующие точки (3, 4, 5…n) обрабатывают в обратноступенчатом порядке в сторону конца шпоночного паза с определенным шагом, обеспечивающим расстояние s межу точками 0…10 мм. Количество точек зависит от длины шпоночного паза, размеров точек и расстояний s между ними.

Величина площади точки (участка) округлой формы в пределах 4…80 мм² является отдельным вопросом и зависит размеров вала и шпонки, величины предварительного зазора шпоночного соединения, требований эксплуатации и других факторов.

Расположение электрод-инструмента сверху под углом 15…55° к вертикальной плоскости обеспечивает оптимальное увеличение составляющей силы сдвига нагретых объемов металла в сторону шпоночного паза. Это позволяет получать качественные шпоночные соединения без использования больших электрических токов и усилий прижатия инструмента к детали.

Начальная обработка в участке 1 позволяет надежно зафиксировать шпонку по противоположному краю шпоночного паза. Последующая обработка шпоночного паза в обратноступенчатом порядке в сторону конца паза с определенным шагом позволяет меньше нагревать вал.

Сила тока и время его включения, усилие прижатия инструмента Р к детали, угол прижатия инструмента к вертикальной плоскости, расстояние от края паза до инструмента, расстояние между точками s вдоль шпоночного паза, материал и форма инструмента принимаются исходя из задач и требований технологического процесса.

При обработке по данному способу в определенных участках происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа, упрощается способ и повышается эффективность, снижается энергоемкость процесса электромеханической обработки за счет применения меньшего тока и усилия прижатия инструмента к детали.