Неразъемные соединения деталей. Неразъемные соединения деталей машин Процессы формирования разъемных и неразъемных соединений металлов

Все виды соединений объединены в 2 основных группы: разъёмные и неразъёмные .
Разъёмные – это соединения, которые можно разобрать, не разрушая деталей или скрепляющих их элементов. Это болтовые, шпилечные, трубные, винтовые (резьбовые), шпоночные, штифтовые(нерезьбовые).
Неразъёмные – это соединения, которые нельзя разобрать, не разрушив деталей или скрепляющих их элементов. Это клёпанные, сварные, паяные, клееные, сшивные

По материалам сайта: http://www.electrostal.com.ua/

Новосибирский Монтажный Техникум

По технической механике

Тема: Неразъемные соединения деталей машин

Выполнил: Лоцманов С. С.

Проверил: Харитонова О.Е.

2006
Неразъёмные соединения деталей машин

Неразъёмное соединение - соединение с жёсткой механической связью деталей в каком-либо узле машины или конструкции, сохраняющееся в течение всего срока службы. При неразъемном соединении, разборка обычно невозможна без разрушения или повреждения поверхностей деталей.

Основные виды неразъемных соединений:

Заклёпочные,

Сварные,

Клеевые,

Комбинированные

Чаще всего не применяют какое-либо отдельное соединение, а в зависимости от нагрузок и области применения, комбинируют их виды.

Применение того или иного вида неразъемного соединения, обусловлено

требованиями изготовления, сборки, эксплуатации машин, а так же
экономическими соображениями.

Заклепочные соединения

Стандартные вытяжные заклепки

Позволяют осуществить неразъемное соединение с доступом только с одной стороны. Они производятся различной длины и диаметров, бывают с куполообразным (стандартным), увеличенным и потайным бортиком, могут быть из алюминия, стали, нержавейки, меди, в зависимости от вида применения. Для некоторых применений имеют специальную конструкцию: закрытые, многозажимные, лепестковые, рифленые, контактные и самоперфорирующие.

Усиленные вытяжные заклепки

Позволяют осуществить неразъемное соединение с доступом только с одной стороны. Усиленные заклёпки изготавливают из алюминия, стали, нержавейки, в зависимости от вида применения. При установке создают надежное соединение, сравнимое по структуре с соединением полнотелой заклепкой. Обладают высокой сопротивляемостью к нагрузкам на растяжение и сдвиг. Они подходят для закрепления предметов подверженных вибрации. Главный сектор применения: корпусоа автомобилей, металлические

контейнера, электрошкафы и др.

Штифты с обжимным кольцом

Это система быстрой установки для сборки частей испытывающих высокие механические нагрузки или подвеграющиеся высокой вибрации. Состоят из штифта и обжимающего кольца, штифт имеет насечки для жёсткой фиксации обжимного кольца. При установке требуется доступ с обратной стороны. Выпускаются различных длин и диаметров, в зависимости от толщины пакета и нагрузок. Материал: сталь, алюминий и нержавейка.

Заклепочные гайки и болты

Являются эффективным решением для получения наружной или внутренней резьбы на тонкостенной детали, в том числе и цилиндрической. Они устанавливаются в предварительно подготовленное (пробитое или просверленное) отверстие с одной стороны, обжимаются вытягиванием штока инструмента с формированием с обратной стороны замыкающего бортика. Материал: сталь, нержавейки, алюминия и бронзы.

Достоинства заклепочных соединений:

1. Высокая прочность и надежность соединения

2. Простота контроля качества соединения

3. Возможность соединения деталей из любых материалов

4. Неизменность физико-химических свойств материалов соединяемых деталей

5. Высокая работоспособность при ударных и повторно-переменных нагрузках

6. При разборке скрепляемых деталей (разрушении заклепок), соединяемые детали
обычно почти не повреждаются и могут быть использованы повторно

Недостатки заклепочных соединений:

1. Неполное использование материала соединяемых деталей в результате их
ослабления заклепочными отверстиями

2. Сложность технологического процесса изготовления клепанных конструкций

3. Трудность соединения деталей сложной конструкции

4. Соединение деталей встык требует применения специальных накладок

5. Заклепки и соединяемые детали должны быть однородными, с одинаковым
температурным коэффициентом линейного расширения

Сварные соединения

СВАРКА - процесс получения неразъемного соединения деталей машин,

конструкций и сооружений при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при совместном действии того и другого в результате установления межатомных связей в месте их соединения. Сварке подвергают детали из металлов, керамических материалов, пластмасс, стекла и др.

Существуют способы сварки, при которых материал:

Расплавляется (дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая,
плазменная, лазерная, газовая и др.),

Нагревается и пластически деформируется (контактная, высокочастотная,
газопрессовая и пр.)

Деформируется без нагрева (холодная, взрывом и др.); способ
диффузионного соединения в вакууме.

Различают также сварки:

по виду используемого источника энергии:

дуговая, газовая, электронно-лучевая и др.

по способу защиты материала:

под флюсом, в защитных газах, вакууме и др.;

по степени механизации:

ручная, полуавтоматическая и автоматическая.

Выбор того или иного способа сварки зависит от физико-химических свойств свариваемых материалов, условий ее проведения, толщины соединяемых деталей и конструкции соединений.

Достоинства сварных соединений:

1. Экономия материала (Сварные конструкции в среднем легче клепанных на 20-25%)

2. Плотность и непроницаемость соединений

3. Возможность соединения деталей любых криволинейных профилей произвольной
толщины

4. Трудоемкость сварного соединения значительно меньше заклепочного

5. Бесшумность технологического процесса сварки и возможность ее автоматизации

1. Сложность проверки качества шва (только визуально)

2. Возможность нарушения физико-химических свойств соединяемых деталей в зоне
сварки

3. Наличие внутренних "напряжений" в зоне сварки, что снижает прочность соединения

Клеевые соединения

Клеевое соединение - неразъёмное соединение деталей машин или строительных конструкций, осуществляемое с помощью клея. Клеевое соединение позволяет скреплять различные, в том числе и разнородные материалы, обеспечивая равномерное распределение напряжений.

Клеевое соединение используют при изготовлении изделий из

стали, алюминия, латуни, текстолита, стекла, фанеры, древесины,

ткани, пластмассы, резины и др. материалов, которые можно соединять

в различных сочетаниях.

Чаще всего с помощью клея выполняют соединения, работающие на сдвиг или равномерный отрыв. Такие соединения для стальных изделий обеспечивают предел прочности на сдвиг 20-35 Мн/м2 (200-350 кг/см2), а в ряде случаев значительно выше.

Прочность клеёного шва пластмасс обычно превышает прочность самого материала. Недостатками клеевых соединений являются их меньшая долговечность, по сравнению со сварными и заклёпочными соединениями (особенно при резких колебаниях температуры), и низкая прочность на односторонний неравномерный отрыв. В этих случаях хорошие результаты даёт применение комбинированных соединений - клеезаклёпочных и клеесварных.

Достоинства клеевых соединений:

1. Коррозионная и бензомаслостойкость

2. Уменьшение массы конструкции по сравнению с другими видами неразъемных
соединений

3. Невысокая концентрация напряжений в месте соединения

4. Возможность соединения практически любых конструкционных материалов

5. Возможность соединения деталей практически любой толщины

6. Герметичность и достаточная надежность соединения

7. Высокая усталостная прочность

8. Значительно меньшие, чем при сварке и клепке, трудовые затраты на единицу
продукции

Недостатки сварных соединений:

1. "Старение", т.е. снижение прочности соединения с течением времени (некоторые клеи
обладают устойчивостью против старения)

2. Низкая теплостойкость

3. Невысокое сопротивление растяжению и сдвигу, особенно в случае неравномерного
отрыва

4. Необходимость тщательной зачистки и пригонки склеиваемых поверхностей

Неразъемные соединения – это соединения, разборка которых невозможна без повреждения самих деталей. К неразъемным соединениям относят заклепочные, сварные, клееные и паяные соединения. Кроме того в эту группу относят соединения, полученные запрессовкой, заливкой, развальцовкой, кернением, сшиванием и др.

Вальцовка и кернение осуществляются деформацией соединяемых деталей (рис. 75). Сшивание нитками, металлическими скобками применяется для соединения бумажных листов, картона и различных тканей.

Рис. 75 Соединение деталей развальцовкой (а) и кернением (б).

Сварные соединения

Сварные соединения получают с помощью сварки.

Сварка – процесс получения неразъемного соединения твердых предметов путем местного их нагревания до расплавленного или пластического состояния без применения или с применением механических усилий.

После затвердевания расплавленный металл образует сварной шов. Сварные швы разделяют на несколько видов (рис. 76):

1. стыковые (детали соединяют торцами), обозначают буквой С.

3. тавровые (свариваемые детали образуют форму буквы Т), обозначают буквой Т.

4. внахлестку (кромки свариваемых деталей набегают друг на друга внахлестку), обозначают буквой Н.

Рис. 76 – Сварные швы:

а – стыковой, б – внахлестку, в – тавровый, г - угловой

Швы сварных соединений независимо от способа сварки изображают условно: видимые швы – сплошной основной линией (рис. 77 а ), невидимые швы – штриховой (рис. 77 б ). Видимую одиночную сварную точку изображают условно знаком «+» (рис. 77 в ).

а б в

Рис. 77 Изображение сварных швов:

Условное обозначение сварного шва (по ГОСТ 2.312-72) состоит из следующих элементов (рис. 77):

1. Вспомогательные знаки: – монтажный шов, ¡ – шов по замкнутой линии, – шов по незамкнутой линии.

2. Номер стандарта на типы и конструктивные элементы сварного шва.

3. Буквенно-цифровое обозначение шва по стандарту.

4. Условное обозначение способа сварки (допускается не приводить).

5. Знак « » и размер катета шва в мм.

6. Для прерывистого шва – размер провариваемого участка, для цепного шва знак «–» или знак « Z» для шахматного шва и размер шага.

7. Вспомогательные знаки по дополнительной обработке шва:
¡ – усиление шва снять, ÈÈ – наплывы и неровности шва обработать с плавным переходом к металлу.

Если сварные швы, указанные на чертеже, выполняются по одному стандарту, обозначение стандарта записывают в технических требованиях чертежа.

Клеевые соединения

Склеивание – соединение разных материалов различными видами клея.

Клеевой шов на чертеже изображают линией толщиной 2S (рис. 78). На линии-выноске чертят условный знак, напоминающий букву «К». Если шов выполняется по периметру, то линию-выноску заканчивают окружностью. Марка клея записывается в технических требованиях или в спецификации в разделе «Материалы».

Рис. 78 Изображение и обозначение клеевых соединений:

Паяные соединения

Паяные соединения широко применяются в приборостроении и электротехнике.

Пайка – процесс соединения материалов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного материала, называемого припоем .

Паяные соединения на чертеже изображают линией толщиной 2S (рис. 79). Для обозначения пайки на линии-выноске, заканчивающейся стрелкой, используют условный знак – дуга, выпуклостью к стрелке.

а б в

Рис. 79 Паяные соединения:

а – тавровые; б – угловые; в – нахлесточные

Стыковку элементов и конструкций можно разделить на две основные группы: разъемные и неразъемные соединения. К первым относят те, которые можно разобрать без нарушения целостности скрепляющих элементов. Это крепления с помощью гаек, болтов, шпилек, винтов, все соединения с резьбой и без нее. Неразъемными считаются такие, при разборке которых придется нарушить элементы крепления.

К ним относят: сварные, клееные, заклепочные, сшивные и паяные. Разъемные и неразъемные соединения широко используются в определенных областях промышленности. Ниже мы рассмотрим каждый из видов более подробно.

Разъемные соединения

Их исполнение состоит в высверливании отверстий немного большего диаметра, чем крепежный элемент (винт или болт). Делается это для того, чтобы в обеих скрепляемых деталях были точные отверстия. Погрешность в долю миллиметра компенсируется, в особенности для элементов с большим количеством креплений. При использовании болтов и винтов для надежности стыка на них надевают гайку и шайбу.

Первую подкладывают под вторую для неподвижности соединения, она не дает деталям вращаться. Существует еще пружинное кольцо, которое имеет два острых зуба. Ими она упирается в заготовку и деталь, тем самым препятствует самопроизвольному раскручиванию гайки.

Шурупы стягивают детали, нарезая резьбу самостоятельно. При их применении гайки и шайбы не нужны. Шпильки используются, если к массивной детали крепится другая. Она имеет резьбу на обоих концах, под нее в заготовке сверлят отверстие больше длины

Неразъемные соединения

Они бывают:

• сварные;
• заклепочные;
• паяные;
• клеевые.

Такие виды неразъемных соединений нашли применение в отдельных областях производства. Рассмотрим каждый из них по отдельности.

Сварка

Соединение, усыновленное путем межатомных связей между частями деталей при нагревании, называют сварным.

Неразъемные которых была правильно выполнена, достигают необходимой прочности, снижения себестоимости, а также массы детали.

Источниками нагрева элементов могут быть:

• расплавленный шлак;
• газовое пламя;
• электрическая дуга;
• плазма;
• лазерный луч.

Металл, который подлежит сварке, называют основным. А тот, что используется в ванне - присадочным.

Участок, прихваченный подобным способом, называется сварным швом.

Получение неразъемных соединений таким образом может быть следующих видов:

• контактная сварка;
• электородуговая ручная;
• автоматическая под флюсом и полуавтоматическая;
• дуговая.

Шов также подразделяется на:

• стыковой;
• нахлесточный;
• угловой;
• тавровый.

Любой из них может быть как односторонним, так и двухсторонним.

Они делятся на прерывные и беспрерывные. Также есть различия в форме поперечного сечения: нормальный шов, выпуклый или вогнутый.

Преимущества:

1. Низкая стоимость на такие неразъемные соединения, за счет простоты шва и малой затрате трудоемкости.
2. Относительно небольшая масса, по сравнению с другими методами работ.
3. Нет необходимости делать отверстия в детали, что придает прочность в ее сечении.
4. Автоматизация сварочного процесса подразумевает его герметичность.

Недостатки:

1. Появление деформации и коробления после произведенных работ, а также возникновение остаточных напряжений.
2. Выдерживает несильную вибрацию и удары.
3. Сложность в проверке качества.
4. Рабочие, осуществляющие неразъемные соединения деталей сваркой, в обязательном порядке должны пройти обучение и подтверждать свою квалификацию.

Пайка

Детали в методе пайки скрепляются введением дополнительного металла припоя.
Причем температура плавления припоя должна быть меньше, чем у соединяемых деталей. По данному критерию припои различают:

• особолегкоплавкие. Необходимая температура их плавления составляет всего 145 градусов;
• мягкие или легкоплавкие. Рабочий нагрев не выше 450 градусов Цельсия;
• твердые или среднеплавкие. Температура их плавления находится в диапазоне от 450 до 600 градусов;
• высокотемпературные или высокоплавкие. Такие металлы плавятся при температуре свыше 600 градусов Цельсия.

Припои

В зависимости от компонента они делятся на:

• оловянно-свинцовые (ПОС);
• оловянные (ПО);
• цинковые (ПЦ);
• серебряные (ПСр);
• медно-цинковые (ПМЦ, латунные).

Большинство работ по припою производят с применением оловянно-свинцового материала марки ПОС. Как правило, их выпускают в виде проволоки, лент или прутиков.

Перед припоем поверхности хорошо очищают. Чтобы они не окислились, применяют специальный паяльный флюс. Это вещество не дает образовываться оксидам и очищает от них поверхности деталей, способствует лучшему растеканию припоя. Определенный вид флюса подходит под конкретную температуру, свыше которой он перестает работать и сгорает.

Заклепочные

Это соединения, которые создают с применением специальной детали - заклепки. Она имеет стержень и головку. Процесс получения неразъемных соединений происходит за счет образования на другом конце детали замыкающей головки, она получается путем сжатия конца стержня. Такая конструкция вовсе неподвижная и при этом неразъемная. В ней отсутствует возможность смещения деталей относительно друг друга.

Используют такое крепление для деталей небольшой толщины в основном листовых материалов или там, где применение высоких температур недопустимо из-за возможной деформации деталей. Когда заклепки стоят рядом, они образуют заклепочный шов.

Материал элементов должен соответствовать материалу скрепляемых деталей, иначе может возникнуть из-за разности коэффициентов температурного расширения. Головки заклепок бывают круглые, потаенные, полупотаенные и плоские.

Плюсы

Преимущества данного соединения:

1. Способность выдерживать большую вибрацию и нагрузки на удар, что не по силам сварке.
2. Применение возможно в материалах, которые не свариваются или этот процесс очень долог.
3. Нет применения высоких температур при соединении.

Минусы

Среди них можно отметить следующие моменты:

1. Большой расход металла на произведенную работу.
2. Увеличение веса конструкции.
3. Высокая трудоемкость.
4. Технологичность процесса невысокая.

Клеевые

Чтобы получить прочные неразъемные соединения, достаточно соединить детали с помощью клеевого состава. Действие происходит путем образования связей на межмолекулярном уровне поверхности склеиваемой детали и пленкой клея.

Применение такого способа можно встретить в конструкциях из различных материалов. Крепление на основе клея применяют даже в мостостроении и авиации. Долговечность такого соединения и его качество будет зависеть от подготовки поверхностей деталей и вида нагрузки, которая будет на них воздействовать. Нужно провести очищение поверхностей от ржавчины и жировых пятен, после обработать места наждачной бумагой.

Склеивать детали, на которые будет действовать нагрузка на сдвиг или поворот, при маленькой площади стыка не следует. Это приведет к потере прочности. Склеивать лучше те части, которые подвержены смещению относительно друг друга или нагрузке растяжения.

Преимущества клеевого способа:

1. Соединить таким образом можно любые заготовки и конструкции, независимо от их формы, массы или материалов.
2. Высокая устойчивость к коррозии.
3. Герметичность, что позволяет производить работу с трубопроводами.
4. Не вызывает деформацию деталей.
5. Не создается концентрация напряжений.
6. Надежность работы в условиях вибрационных нагрузок.
7. Низкая стоимость расходного материала.
8. Клеевые неразъемные соединения не утяжеляют конструкцию.

1. Низкая прочность, особенно при нагрузке на отрыв.
2. Недолговечность, некоторые виды клея могут стареть.
3. Низкая устойчивость к тепловой нагрузке.
4. Многие соединения должны пройти длительную выдержку пред эксплуатацией.
5. Обязательное соблюдение мер безопасности.

Неразъемное соединение полиэтилен-сталь

Широкое применение для стыковки труб стальных и современных полиэтиленовых получило неразъемное соединение полиэтилен-сталь.

Оно позволяет надежно скрепить между собой пластиковые и металлические трубы, а также установить необходимую арматуру для запоров. Чтобы изготовить неразрывную конструкцию, применяют трубы из полиэтилена, изготовленные по определенному стандарту.

Получают неразъемное соединение сталь (переходник ПЭ-сталь) путем сварки патрубка металлического участка с полиэтиленовым. Применять этот метод можно в качестве заглушек на газо- и водопроводах магистральных сетей.

Такие неразъемные монтируются к газопроводам жилых домов. Часто можно встретить их в котельных установках. Применение стальных трубопроводов в наше время все чаще вытесняется аналогом полиэтиленовым. Связано это с очевидным преимуществом пластиковых труб над металлическими. Поэтому они используются все чаще. Неразъемное соединение полиэтилен-сталь настолько надежно, что не требует особого обслуживания.

Его установка происходит напрямую в грунт без использования колодцев. Монтаж осуществляют с помощью сварки встык или терморезисторной. Неразъемное соединение полиэтилен-сталь может быть с усиливающей муфтой или без нее. Данная деталь придает переходнику способность выдерживать большое давление и непрерывную нагрузку 1 Мпа. Переходник без муфты может выдержать нагрузку не больше 0,6 Мпа. Соединение металла с полиэтиленом может происходить при помощи резьбы или с применением различных фланцев.

Итак, мы рассмотрели основные их преимущества и недостатки.

Соединения, при разборке которых нарушается целостность составных частей изделия, называют неразъемными. К таким соединениям относятся заклепочные, сварные, клееные, паяные и прессовые соединения.

Заклепочным называется соединение деталей с применением заклепок – крепежных деталей из высокопластичного материала, состоящих чаще всего из стержня 1 и закладной головки 2; конец стержня расклепывается для образования замыкающей головки 3 (рис. 48).

а	б	в
г	д

К достоинствам заклепочных соединений относятся: стабильность и контролируемость качества, а также меньшие повреждения соединяемых деталей при разъеме. К недостаткам

деталей, для скрепления деталей из разных материалов, деталей из материалов, не допускающих нагрева или несвариваемых. В наше время заклепочные соединения вытесняются более экономичными и технологичными сварными и клееными соединениями, так как отверстия под заклепки ослабляют сечения деталей на 10–20%, а трудоемкость изготовления и масса заклепочной конструкции обычно больше, чем сварной или клееной.

По функциональному назначению заклепочные соединения подразделяют на прочные и плотные , последние обеспечивают не только прочность, но и герметичность соединения.

По конструкции заклепочные соединения бывают нахлесточные и стыковые с одной или двумя накладками. Ряды поставленных заклепок образуют заклепочный шов, который может быть однорядным и многорядным, односрезным или двухсрезным. На рис. 49 показаны: двухрядный односрезный нахлесточный шов (а ), однорядный односрезный стыковой шов с одной накладкой (б ), однорядный двухсрезный стыковой шов с двумя накладками (в ).

Конструкция и размеры заклепок нормальной точности и повышенного качества стандартизованы. По форме головок заклепки бывают (рис. 50) с полукруглой (а ), потайной (б ), полупотайной (в ), плоской (г ), полукруглой низкой и другими головками. В тех случаях, когда нежелательно или недопустимо заклепочное соединение подвергать ударам, применяют полупустотелые заклепки, замыкающая головка которых образуется развальцовкой.

Для соединения тонких листов и неметаллических материалов, а также когда в конструкции нужны отверстия для электрических, крепежных или других деталей, применяют пустотелые заклепки

Обычно клепаные соединения нагружены силами, действующими параллельно плоскости контакта соединяемых деталей, поэтому разрушение соединения может произойти в результате следующих причин:

– срез заклепок по сечению 1–1 под действием касательных напряжений (рис. 51);

Кроме того, предполагается, что нагрузка F распределяется между заклепками шва равномерно, а сила трения, возникающая между склепанными деталями, в расчете на прочность не учитывается. В нахлесточном соединении (см. рис. 51) внешняя сила F образует пару сил, моментом которой ввиду малого плеча пренебрегаем.

Расчетные формулы на прочность заклепочного соединения имеют следующий вид:

1. Прочность заклепок на срез (см. рис. 51)

t cp =F /(zA cp ) ≤ ,

где А cp =i pd 0 2 /4; i – число плоскостей среза; z – число заклепок шва; А ср – площадь среза заклепки.

2. Прочность соединения на смятие

s c м =F /(zA c м ) ≤ ,

где А см =d 0 d min ; d min – меньшая из толщин соединяемых деталей (как известно из сопротивления материалов, при расчете на смятие цилиндрических поверхностей в расчет вводится не действительная, а условная площадь смятия, равная площади диаметрального сечения сминаемой части детали).

3. Прочность соединяемых деталей на растяжение (рис. 52)

s p =F /(zA p ) ≤ ,

где A p =(p –d 0)d min .

4. Прочность соединяемых деталей на срез

t" cp =F /(zA" cp ) ≤ ,

где A" cp =2(е –d 0 /2)d min (здесь длина сечения 2–2 уменьшена на d 0 /2, так как вначале материал сминается на эту величину и лишь затем происходит срез).

Значения допускаемых напряжений, входящих в приведенные выше формулы, имеются в справочниках.

Из условия равнопрочности соединений принимают шаг заклепок р =(3...6)d , расстояние между рядами заклепок берется равным (2...3)d , где d – диаметр заклепки.

Сварным называется неразъемное соединение, выполненное сваркой (рис. 53), т.е. путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании.

К достоинствам сварных соединений относятся: значительно меньшая трудоемкость производства сварных конструкций в сравнении с заклепочными при значительно больших возможностях механизации и автоматизации технологического процесса; сварка позволяет соединять детали сложной формы, обеспечивает сравнительно бесшумный технологический процесс и герметичность соединений. Недостатки сварных соединений: недостаточная надежность при ударных и вибрационных нагрузках, коробление деталей в процессе сварки, концентрация напряжений и сложность проверки качества соединений.

Сварные соединения являются наиболее распространенными и совершенными из неразъемных соединений, так как лучше других обеспечивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструкции. В настоящее время сваривают детали, изготовленные из черных, многих цветных металлов, а также из пластмасс.

Существуют следующие виды сварных соединений: рис. 53: стыковое (а ), нахлесточное (б ); рис. 54: угловое (а ), тавровое (б ). Шов стыкового сварного соединения называется стыковым, а швы нахлесточного, углового и таврового соединений называют угловыми. Сварные швы могут быть непрерывными и прерывистыми; последние имеют промежутки по длине шва. Металл шва, наплавленный за один проход, называется валиком, один или несколько валиков, расположенных на одном уровне поперечного сечения шва, называется слоем .

Сварные швы по форме поперечного сечения могут быть нормальными (рис. 53, б ), выпуклыми (рис. 53, а ; 54, а ) и вогнутыми (рис. 54, б ). Выпуклость шва обозначается g , вогнутость – D; их величина не должна превышать 3 мм. Выпуклый угловой шов, кажущийся на первый взгляд более прочным, имеет значительную концентрацию напряжений по сравнению с нормальным и особенно вогнутым швами, так как выпуклый шов образует более резкое изменение сечения детали в месте соединения. Поэтому при действии на конструкцию переменных нагрузок рекомендуется применять вогнутые угловые швы, хотя их вогнутость обычно достигается механической обработкой, которая значительно увеличивает стоимость соединения. У стыковых швов со снятыми механическим способом выпуклостями концентрация напряжений практически отсутствует.

Основным критерием работоспособности сварных соединений является прочность, причем предполагается, что напряжения в опасных сечениях распределены равномерно.

Расчет стыковых соединений производится по нормальным напряжениям растяжения или сжатия по номинальному сечению соединяемых элементов без учета выпуклости шва:

s"=F/(dL) ≤ ,

где d – толщина соединяемых элементов; L – длина шва; – допускаемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки (напряжение в металле шва обозначаем соответствующей буквой со штрихом).

Основным геометрическим и расчетным параметром угловых швов является катет K (если катеты сечения шва не равны, то шов характеризуют меньшим катетом). В большинстве случаев катет шва принимают равным толщине соединяемых деталей.

Расчет угловых швов производится по касательным напряжениям сдвига в опасном сечении 1–1 , расположенном в биссекторной плоскости прямого угла (см. рис. 54, а ), без учета выпуклости шва:

t"=F/(0,7KL) ≤ ,

где 0,7K =K sin45° – высота опасного сечения шва; L – суммарная длина швов (см. рис. 6, б ); – допускаемое напряжение металла шва для принятой технологии сварки.

В нахлесточном соединении (см. рис. 53, б ) внешние силы F образуют пару сил, моментом которой ввиду малого плеча пренебрегают. Приведенные расчетные формулы пригодны для швов сварных конструкций, нагруженных осевыми силами, но не моментами; последний случай встречается реже.

Допускаемые напряжения для сварных швов принимают в зависимости от допускаемых напряжений на растяжение для основного металла с учетом характера действующих нагрузок и принятой технологии сварки. Ориентировочно для стальных конструкций при статической нагрузке:

=(0,9…1); =; =(0,6…0,65).

Здесь = s m /[s ], где s m – предел текучести основного материала; [s ] – допускаемый коэффициент запаса прочности ([s ]=1,35...1,7, большие значения для легированных сталей).

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения понижают с учетом характеристики цикла напряжений, эффективного коэффициента концентрации напряжений в сварных швах, числа циклов нагружения других факторов.

Максимальную длину лобового и косого швов не ограничивают; длину фланговых швов следует принимать не более 60K , где K – катет шва во избежание значительной неравномерности распределения нагрузки по длине шва. Минимальная длина швов не должна быть менее 30 мм, так как иначе неизбежные дефекты (непровар в начале шва и образование кратера в конце шва) будут значительно снижать его прочность. Учитывая дефекты, короткие швы следует увеличить по длине на 5–10 мм против расчетной величины. Величина перекрытия соединяемых элементов в нахлесточных соединениях не должна быть меньше четырехкратной толщины материала.

Швы в конструкциях следует располагать так, чтобы они были нагружены равномерно. Поэтому соединение симметричных элементов следует выполнять симметрично расположенными швами и наоборот; напряжения растяжения или сжатия должны распределяться по сечению соединяемых элементов равномерно, а продольная сила должна проходить через центр тяжести сечения.

Сказанное выше о видах сварных соединений, типах сварных швов, их параметрах и расчетных формулах относится также к сварным соединениям из алюминия, алюминиевых сплавов, винипласта, полиэтилена и других материалов.

Сварка алюминия производится в среде защитного газа неплавящимся металлическим электродом с подачей в сварочную ванну присадочной проволоки.

Сварка винипласта и полиэтилена производится горячим воздухом с присадочным прутком. Разработаны методы сварки пластмасс нагревательным элементом, токами высокой частоты, ультразвуком.

Клееным называется неразъемное соединение составных частей изделия с применением клея. Действие клеев основано на образовании межмолекулярных связей между клеевой пленкой и поверхностями склеенных материалов.

Достоинства клееных конструкций заключаются в возможности соединения практически всех конструкционных материалов в любых сочетаниях, любой толщины и конфигурации, причем обеспечивается герметичность и коррозионная стойкость соединений. В отличие от сварных, клееные соединения почти не создают концентрации напряжений, не вызывают коробления деталей и надежно работают при вибрационных нагрузках. По сравнению с другими клееные соединения дешевле, а клееные конструкции обычно легче других при прочих равных условиях.

Недостатки клееных соединений: сравнительно невысокая прочность, в особенности при неравномерном отрыве, относительно невысокая долговечность некоторых клеев («старение»), низкая теплостойкость, необходимость соблюдения специальных мер по технике безопасности (установка приточно-вытяжной вентиляции); для большинства соединений требуется нагрев, сжатие и длительная выдержка соединяемых деталей.

Клееные соединения применяют для соединения металлических, неметаллических и разнородных материалов, причем в настоящее время имеется тенденция к расширению применения этих соединений. Так, например, клееные соединения применяют в таких ответственных конструкциях, как летательные аппараты и мосты.

Клеи делят на конструкционные (для прочностных соединений) и неконструкционные (для ненагруженных соединений).

По природе основного компонента различают неорганические, органические и элементоорганические клеи. К неорганическим клеям относят жидкие стекла, применяемые для склеивания целлюлозных материалов.

Существует большое разнообразие конструкционных клеев, отличающихся физико-механическими свойствами и технологией их применения. Наибольшее применение в машиностроении и приборостроении имеют органические клеи на основе синтетических полимеров, например универсальные клеи БФ, технические условия на которые стандартизованы, и эпоксидные клеи с наполнителем и без наполнителя. При необходимости повышенной теплостойкости (до 1000°С) применяют элементоорганические клеи, обладающие сравнительно меньшей эластичностью. Клеи не являются проводниками, поэтому при необходимости обеспечить электропроводность в них добавляют порошкообразное серебро.

Для склеивания деталей требуется механическая и химическая подготовка их поверхностей. Механическую подготовку и пригонку металлических деталей производят на металлорежущих станках или вручную напильником, сложные поверхности подвергают пескоструйной обработке; пластмассовые детали обрабатывают резанием или зачищают наждачной шкуркой. Химическая подготовка заключается в очищении и обезжиривании склеиваемых поверхностей ацетоном, спиртом, бензином или бензолом.

Клей наносят на поверхность кистью или пульверизатором. Прочность клееного соединения в значительной степени зависит от толщины клеевого слоя, которая в основном определяется вязкостью клея и давлением при склеивании. Рекомендуются толщины клеевого слоя для различных клеев в пределах 0,05–0,25 мм; при толщине клеевого шва 0,5 мм и более прочность соединения значительно снижается. Наибольшее влияние на прочность клееного соединения оказывает температура эксплуатационного режима, которая для большинства конструкционных клеев рекомендуется в пределах от минус 60°С до плюс 80°С.

В прочностных клееных конструкциях наиболее распространены стыковые и нахлесточные соединения, примеры которых приведены на рис. 55: а – стыковое с накладкой; б – косостыковое; в – стыковое; г – стыковое соединение труб одинакового диаметра; д – нахлесточное; е – нахлесточное шпунтовое; ж – косостыковое соединение труб одного диаметра; з – нахлесточное (телескопическое) соединение труб разного диаметра.

Расчетные формулы на сдвиг и отрыв для клееных соединений имеют вид

t=F/A к ≤ [t], s p =F/A к ≤ [t],

где F – действующая сила; А к – площадь склеивания. Допускаемое напряжение на сдвиг [t]=t в /[s ], а на отрыв =s в /[s ], где для распространенных клеев предел прочности при сдвиге t в ≤ 60 МПа,

предел прочности при растяжении s в ≤ 50 МПа, а допускаемый коэффициент запаса прочности [s ]=1,2...1,5.

Прочность клееного соединения зависит от площади склеивания. Наиболее прочными являются соединения, работающие на сдвиг или равномерный отрыв, когда напряжения по всей площади склеивания можно полагать распределенными равномерно. При работе на отдирание (неравномерный отрыв) прочность соединения не определяется площадью склеивания, так как оно будет разрушаться последовательными участками; в таких случаях применяют комбинированные соединения – клееклепаные или клеесварные.

Паяные соединения. Пайкой называется процесс образования неразъемного соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления и применения легкоплавкого присадочного материала – припоя. В температуре нагрева состоит принципиальное отличие пайки от сварки. Соединение, образованное пайкой, называется паяным.

Процессы пайки сравнительно легко поддаются механизации и автоматизации. Во многих случаях применение пайки приводит к значительному повышению производительности труда, снижению массы и стоимости конструкций. По прочности паяные соединения уступают сварным.

В отличие от сварки пайка позволяет соединять детали из разнородных материалов, например, черных и цветных металлов и сплавов, стекла, керамики, графита. Кроме того, паять можно и детали с тонкостенными элементами, где применение сварки недопустимо из-за опасности прожога тонких стенок при сварке. Применение пайки в машиностроении возрастает в связи с широким внедрением новых конструкционных материалов, в том числе высокопрочных легированных сталей, многие из которых плохо свариваются. Примерами применения пайки в машиностроении могут служить радиаторы автомобилей и тракторов, лопатки турбин, топливные и масляные трубопроводы и др. Пайка является одним из основных видов соединения в приборостроении, в том числе в радиоэлектронике.

По признаку взаимного расположения и формы паяемых элементов типы паяных соединений подобны сварным и клееным и носят те же названия, а именно: нахлесточное, стыковое, косостыковое, тавровое, телескопическое, комбинированное. Если паяемые элементы соединены по линии или в точке, то соединение называется соприкасающимся.

Многообразные способы пайки можно подразделить на два основных вида (в скобках даны термины ИСО):

– низкотемпературная пайка (мягкая пайка), происходящая при температуре, не превышающей 723 К (450°С),

– высокотемпературная пайка (твердая пайка), происходящая при температуре, превышающей 723 К.

В первом случае применяют припои ПОС (мягкие), во втором – припои ПМЦ и серебряно-медные (твердые). В качестве припоев применяют как чистые металлы, так и сплавы.

Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей при пайке применяют флюсы (на основе буры, хлористого цинка, канифоли); паяют в среде нейтральных газов (аргона) или в вакууме.

Нагрев припоя и деталей при пайке осуществляют паяльником, газовой горелкой, токами высокой частоты, в термических печах, погружением в ванну с расплавленным припоем и пр. При пайке токами высокой частоты или в термической печи припой укладывают в процессе сборки деталей в месте шва в виде проволочных контуров, фольговых прокладок, лент, мелкой дроби или паст в смеси с флюсом.

Перед пайкой паяемые поверхности деталей обезжиривают и очищают от окислов. После подготовки соединяемых деталей к пайке и последующей сборки их обычно подогревают до температуры плавления припоя и в зазоры между ними вводят расплавленный припой.

Паяные швы из мягких припоев малопрочны, поэтому их применяют для соединений ненагруженных, малонагруженных, не подверженных действию ударных нагрузок и вибрацией. Из-за низкой температуры плавления не рекомендуется применять их для соединений, работающих при температуре выше 100°С. Мягкие припои широко применяют в приборостроении. Твердые припои применяют для соединений, несущих нагрузки. При статических нагрузках применяют припои на медной основе, а для соединений, воспринимающих ударные и вибрационные нагрузки, – припои на серебряной основе.

Расчет на прочность паяных соединений осуществляют по формулам для однотипных сварных и клееных соединений. Допускаемое напряжение на срез можно принимать для паяных швов из оловянно-свинцовых припоев =20..30 МПа, из медно-цинковых припоев =175...230 МПа. Для паяных швов из серебряно-медных припоев предел прочности при растяжении в полтора-два раза больше, чем при срезе и равен 400...600 МПа.

Прессовым называется соединение составных частей изделий с гарантированным натягом вследствие того, что размер охватываемой детали больше соответствующего размера охватывающей детали.

Прессовые соединения передают рабочие нагрузки за счет сил трения покоя между сопряженными поверхностями. Преимущественное распространение имеют прессовые соединения по цилиндрическим поверхностям. Следует отметить, что прессовые соединения занимают промежуточное положение между неразъемными и разъемными соединениями, так как допускают нечастую разборку без нарушения целостности составных частей изделия.

Нагрузочная способность прессовых соединений определяется преимущественно натягом, который назначают в соответствии с посадками. Однако возможны случаи, когда посадка не может быть реализована в конструкции по условию прочности детали.

Достоинства прессовых соединений: простота и технологичность конструкций за счет отсутствия соединительных деталей, обеспечение хорошего центрирования соединяемых деталей, возможность применения при очень больших осевых нагрузках и крутящих моментах, высокая надежность при ударных нагрузках.

Основные недостатки прессовых соединений: сложность демонтажа и возможность ослабления натяга после разборки, ограниченность нагрузочной способности при вибрационных нагрузках за счет фреттинг-коррозии (разрушение сопряженных поверхностей при очень малых колебательных относительных перемещениях), рассеивание величины натяга и нагрузочной способности соединения за счет допусков на изготовление деталей.

Характерными примерами применения прессовых соединений являются колесные центры и бандажи железнодорожного подвижного состава, центры и венцы зубчатых и червячных колес (рис. 56, а ), крепление на валу вращающихся колец подшипников качения (рис. 56, б ).

Прессовые соединения могут быть получены тремя способами: продольной сборкой путем запрессовки осевой силой (рис. 57);

следствие, снижение нагрузочной способности соединения в 1,5–2 раза.

В результате сборки прессового соединения за счет натяга на сопрягаемых поверхностях возникают контактные давления p (рис. 57), которые полагаем равномерно распределенными по поверхности контакта. Если на конструкцию действует осевая сила F и крутящий момент Т , то на сопрягаемых поверхностях возникнут силы трения, которые должны исключить относительное смещение деталей соединения. Пользуясь принципом независимости действия сил, можно написать условия равновесия:

F≤ pdlpf, T ≤ pdlpfd/2,

где f – коэффициент сцепления; для стальных и чугунных деталей f =0,08...0,1 при запрессовке; f =0,12...0,14 при сборке с нагревом или охлаждением; при гидропрессовании f =0,12; если одна из деталей латунная или бронзовая, то f =0,05.

Из вышеуказанных условий равновесия определим минимально необходимые значения контактного давления

p min =F/(pdlf), р min =2T/(pd 2 lf).

Если осевая сила F и крутящий момент Т действуют одновременно, то расчет ведут по равнодействующей R осевой и окружной силы

F t =2T/d, т.е. ,

p min =R /(pdlf ).

Для технической практики особо важна прессовая посадка толстостенной втулки (ступицы) на сплошной вал. В этом случае предельный наибольший натяг N пред можно определить из условия прочности втулки по выводимой в сопротивлении материалов формуле

N пред =d/E,

где – допускаемое напряжение для втулки; Е – модуль упругости первого рода; d – диаметр контактной поверхности.