РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СБОРКИ И КАЧЕСТВА СОЕДИНЕНИЙ ПО ПАРАМЕТРУ БИЕНИЯ
В разделе приведены теоретические исследования сборки с индукционным нагревом охватывающей детали и целесообразность ее применения для обеспечения качества соединений по параметру биения, а также результаты теоретических исследований процесса радиального и торцевого биения вращающихся деталей и узлов машин и механизмов.
Радиальное и торцевое биения относятся к суммарным параметрам точности. Радиальное биение является результатом совместного проявления отклонения от округлости профиля (отклонение формы) рассматриваемого сечения и отклонения его центра относительно базовой оси (отклонение расположения). Радиальное биение рассматривается как следствие непостоянства радиусов в сечении тела вращения плоскостью, перпендикулярной оси вращения.
Торцевое биение - разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реального профиля торцевой поверхности детали до плоскости, перпендикулярной базовой оси. Торцевое биение - результат совместного проявления отклонения от общей плоскости точек, лежащих на линии пересечения торцевой поверхности с секущим цилиндром, соосным с осью детали (отклонение формы), и отклонения от перпендикулярности торца относительно оси базовой поверхности (отклонение расположения) на длине, равной диаметру рассматриваемого сечения.
Решалась задача нахождения модели распределения величины биения, как случайной величины, которая описывала бы процесс биения более точно, чем общепринятая модель Рэлея. Построена модель биения и найдены ее числовые характеристики. Получены оценки ее параметров, определены из них наилучшие и сделан сравнительный анализ построенной модели с моделью Рэлея.
2.1. Особенности технологии сборки с индукционным нагревом осесимметричных деталей типа ступица с диском
Сборка соединений с натягом с использованием нагрева широко применяется в различных отраслях машиностроения, поскольку имеет ряд преимуществ по сравнению с прессовой [3]: обеспечивает большую прочность соединений, исключает повреждение сопрягаемых поверхностей, обеспечивает возможность автоматизации процесса.
Учитывая эти преимущества, необходимо также знать закономерности построения технологических процессов сборки с индукционным нагревом. Сборочные процессы с применением индукционного нагрева характеризуются не только изменением состава изделия, но и временным изменением размеров деталей и физико-механических свойств материалов, которые подчиняются законам нагревания и охлаждения твердых тел. Условия протекания процесса в значительной степени определяются уровнем теплового воздействия.
Чтобы получить соединение с натягом необходимо как механическое, так и термическое воздействие на детали. Основные показатели технологического процесса сборки определяются следующими операциями с деталью, подвергаемой индукционному нагреву: нагрев, транспортирование, сборка.
Поэтому эффективность технологического процесса сборки будет зависеть от правильности выбора температуры нагрева, определения операций и переходов.
Тепловая энергия, переданная охватывающей детали при нагреве, непрерывно теряется в окружающей среде. К началу сопряжения уровень и распределение энергии в охватывающей и охватываемой деталях должны компенсировать натяг и обеспечить термический зазор необходимой величины. Баланс тепловой энергии для сборки вала с зубчатым колесом, входящей в многоэлементное соединение, можно представить уравнением:
где Q - тепловая энергия, получаемая втулкой;
Qф - энергия формирования соединения - количество теплоты, необходимой для расширения отверстия втулки на величину, компенсирующую натяг;
Qc - теплота, расходуемая на расширение отверстия втулки, обеспечивающая получение технологического сборочного зазора;
Qmp - энергия перегрева, компенсирующая потери тепла втулкой при ее транспортировании и ориентировании перед сборкой;
Операция термовоздействия должна выполняться таким образом, чтобы сохранялись физико-механические свойства материала и отклонения в геометрии формы посадочной поверхности были незначительны (в 3-5 раз меньше величины сборочного зазора). Физико-механические свойства конструкционных материалов необратимо изменяются при нагреве до температур свыше [4]. Тогда температурное условие сборки
,
где - максимально допустимая температура нагрева,
- температура разогрева посадочной поверхности охватывающей детали.
Известно, что температурные напряжения в материале исключаются при равномерном термовоздействии, чего нельзя сказать об индукционном нагреве, преимуществом которого является возможность локализации для уменьшения расхода энергии. Однако это создает напряжения в материале детали, которые определяются градиентом температур, характером температурного поля и конструктивными параметрами деталей. Степень неравномерности нагрева обычно ограничивают величиной напряжений, при которых материал находится в упругой области. Для деталей типа "зубчатое колесо", диск с осесимметричным распределением температуры по произвольному закону Т(r) изменение радиальных и окружных нормальных напряжений описывается следующими уравнениями [3]
где Е - модуль упругости материала,
- коэффициент Пуассона,
С1 и С2 - постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.
Очевидно, что чем меньше температура, тем меньше напряжения. Зная распределения температур, нетрудно получить зависимости, позволяющие рассчитывать величину наибольших напряжений.
Условиями сохранения прочности материала детали являются соотношения
где и - допускаемые радиальные и окружные нормальные температурные напряжения.
Таким образом, применение индукционного нагрева, обеспечивающего локальный нагрев, должно сопровождаться соблюдением необходимых выше сказанных у