Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ВАЛАХ

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. Схиртладзе, А.Г.. Метрология, стандартизация и сертификация / А.Г. Схиртладзе, Я.М. Радкевич. - Старый Оскол: ТНТ, 2015. - 540 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 (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 двух деформирующих электрод-инструментов (роликов или пластин) и детали проходит ток большой плотности (10⁸-10⁹ А/м²) и низкого (1-6 В) напряжения, вследствие чего на контактирующих поверхностях изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локальных микрообъемов поверхности с одновременным их пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла внутрь детали, что приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости обработанных участков.

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

Известен способ получения шпоночного соединения на валах, включающий установку шпонки в шпоночный паз с зазором, нагрев шпоночных пазов вала двумя электродами-инструментами для электромеханической обработки и пластическую деформацию металла (патент РФ №2713890 - принят за прототип), отличающийся тем, что зазоры между шпонкой и боковыми поверхностями шпоночного паза регулируют с помощью изолятора, установленного на шпонку, электроды-инструменты устанавливают вертикально и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,1…1 мм от края шпоночного 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 боковых поверхностей шпоночного паза твердостью до 9 ГПа.

Недостатком такого способа является необходимость приложения больших усилий прижатия инструментов к детали для эффективной осадки и раздачи металла в сторону паза. Другим недостатком является необходимость применения больших электрических токов, которые в свою очередь обеспечивают более высокую пластичность металла, что направлено также на более эффективную осадку и раздачу металла.

Достигаемый технический результат по заявленному изобретению -это повышение эффективности и снижение энергоемкость процесса при получении плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковых поверхностей шпоночного паза за счет перераспределения металла применением электромеханической обработки с использованием шпонки, установленной в шпоночный паз.

Указанный технический результат достигается за счет того, что электроды-инструменты устанавливают сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,5…2,5 мм от края паза.

На фиг. 1 представлена схема установки шпонки в шпоночном пазу. Шпонка 2 устанавливается на дно шпоночного паза вала 1. На шпонку устанавливается изолятор 3. С помощью изолятора устанавливаются зазоры между шпонкой и боковой поверхностью шпоночного паза S₁ и S₂. Величина зазора может составлять десятки микрометров, для изношенных шпоночных пазов величина зазоров может достигать до 2 мм.

На фиг. 2 схематично представлена схема получения шпоночного соединения на валах. Способ осуществляется следующим образом. На специальной оправке (не показана) крепятся электроды-инструменты 4 и 5 для электромеханической обработки шпоночного паза. Электроды-инструменты прижимаются сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости на расстоянии 0,5…2,5 мм от края шпоночного паза вала 1 с усилиями P₁ и Р₂ и перемещаются вдоль шпоночного паза со скоростью ν.

Электроды-инструменты для электромеханической обработки 4 и 5 подсоединены с помощью токоподводящих кабелей 6 и 7 к источнику питания - силовому модулю для ЭМО 8, образуя с деталью общую электрическую цепь. При замыкании электрической цепи происходит мгновенный нагрев (током до 2500 А) в местах контакта электродов-инструментов 4 и 5 с поверхностью шпоночного паза выше температуры выше фазовых превращений и механическое воздействие этими электродами-инструментами с усилиями P₁ и Р₂. Это позволяет электродам-инструментам в горячем состоянии осаживать поверхности шпоночного паза с раздачей в сторону шпоночного паза. Деформация металла в сторону шпоночного паза ограничивается шпонкой 2.

При движении электродов-инструментов вдоль шпоночного паза со скоростью ν источник термомеханического воздействия удаляется, что приводит к последующему охлаждению нагретых участков вглубь детали за счет ее массы, в результате чего происходит упрочнение поверхностного слоя боковых поверхностей шпоночного паза.

Сила тока, усилия прижатия электродов-инструментов P₁ и Р₂ к детали, скорость ν перемещения электродов-инструментов вдоль шпоночного паза, угол прижатия электродов-инструментов к вертикальной плоскости, расстоянии от края паза до электрода-инструмента, материал и форма электрода-инструмента принимаются исходя из задач и требований технологического процесса.

Расположение электродов-инструментов сверху под углом 10…45° 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 усилий прижатия инструмента к детали.

Увеличение силы сдвига при электромеханической обработке электродами-инструментами под углом 10…45° к вертикальной плоскости не требует использования повышенных токов для увеличения пластичности металла по сравнению с прототипом.

Перемещение электродов-инструментов вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,5…2,5 мм от края паза позволяет сдвигать в сторону паза более значительные объемы металла, что увеличивает эффективность и позволяет получать шпоночные соединения с предварительными зазорами до 2 мм на сторону.

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