18 Соединения деталей

18.1 Разъемные соединения

Способы соединения деталей и сборочных единиц механизмов различны. Они подразделяются на неразъемные и разъемные. Не­разъемные соединения можно разобрать только при частичном раз­рушении соединяемых деталей. Разъемные соединения отличаются тем, что их разборка возможна без разрушения деталей, входящих в соединение. Разъемные соединения, в свою очередь, делятся на под­вижные и неподвижные. С помощью подвижных соединений можно обеспечить определенное перемещение одних деталей относительно других. К ним относятся различные опоры и направляющие. Непод­вижные соединения обеспечивают фиксированное положение одних деталей по отношению к другим.

Разъемные соединения допускают многократную сборку и раз­борку. К ним относят резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые соединения. Выбор типа соединения зависит от предъявляемых к нему требований — конструктивных, технологических и экономи­ческих.

18.1.1 Резьбовые соединения

Резьбовыми называют соединения составных частей изделия с применением деталей, имеющих резьбу. Они наиболее распростра­нены в машиностроении. Резьбовые соединения бывают двух типов: соединения с помощью специальных резьбовых крепеж­ных деталей (болтов, винтов, шпилек, гаек) и соединения свинчива­нием соединяемых деталей, т.е. резьбы, нанесенной непосредственно на соединяемые детали.

Достоинства резьбовых соединений — простота, удобство сборки и разборки, широкая номенклатура, стандартизация и массовый ха­рактер производства крепежных резьбовых деталей, взаимозаменяе­мость, относительно невысокая стоимость и высокая надежность. Недостатки резьбовых соединений — наличие концентраций напря­жений во впадинах резьбы, что снижает прочность соединений; чув­ствительность к вибрационным и ударным воздействиям, которые могут привести к самоотвинчиванию; низкая точность взаимополо­жения соединяемых деталей.

Основным элементом соединения является резьба, т.е. поверх­ность, которая образуется при винтовом движении плоской фигуры по цилиндрической или конической поверхности. Различают соот­ветственно цилиндрическую резьбу и коническую. По профилю выступа и канавки резьбы в плоскости осевого сечения резь­бы делятся на треугольные, трапецеидальные симметричные, трапе­цеидальные несимметричные (упорные), прямоугольные и круглые.

По назначению резьбы разделяют на крепежные, крепежно-уплотнительные и ходовые. Крепежные резьбы применяют для соединения деталей, а ходовые — в передаточных механизмах.

Крепежные резьбы имеют, как правило, треугольный профиль с притуплёнными вершинами и дном впадин. Это повышает проч­ность резьбы и стойкость инструмента при получении резьбы. Кре­пежная резьба бывает метрической, дюймовой и трубной. Наиболее широко применяется метрическая резьба. Угол профиля метриче­ской резьбы, т.е. угол между смежными боковыми сторонами резьбы в плоскости осевого сечения, = 60°. Стандартом предусмотрена резьба с крупным и мелким шагом. Резьбу с крупным шагом обозна­чают М (метрическая); при этом указывают значения наружного диа­метра, например М6, М8 и т.д. Для резьб с мелким шагом дополни­тельно указывают значение шага, например М6х0,75, М8х1 и т.д.

Дюймовая резьба используется при замене деталей устройств, импортируемых из стран с дюймовой системой мер; угол ее профиля _α = 55°.

Основными крепежными деталями резьбовых соединений яв­ляются болты, винты, шпильки, гайки, шайбы и стопорные устрой­ства, предохраняющие гайки от самоотвинчивания. Рассмотрим ка­ждое из них.

Болт — цилиндрический стержень с шестигранной головкой на одном конце и резьбой на другом. Болты в соединении используют в комплекте с гайкой; при этом резьба в соединяемых деталях не наре­зается (рис. 18.1, а).

Винт — цилиндрический стрежень с головкой на одном конце и резьбой на другом. Винт ввертывается в резьбовое отверстие одной из скрепляемых деталей (рис. 18.1, б). Головки винтов могут иметь раз­личную форму (цилиндрическую, полукруглую и др.).

Рис. 18.1

Шпилька — цилиндрический стержень с резьбой на обоих кон­цах; одним концом она ввертывается в одну из скрепляемых деталей, а на другой ее конец навертывается гайка (рис. 18.1, в). Соединения с помощью шпилек применяют в тех случаях, когда в одной из соеди­няемых деталей нельзя выполнить сквозное отверстие и материал этой детали (с резьбой) не обладает высокими прочностными свойст­вами (пластмасса, алюминиевые и магниевые сплавы). Поэтому при­менение винта при частой разборке и сборке соединения из-за малой прочности резьбы не рекомендуется. Шпилька же ввинчивается в де­таль с резьбой малой прочности только один раз — при сборке. При последующих разборках и сборках будет свинчиваться только гайка. Замечено, что шпильки из-за отсутствия головок и концентрации на­пряжений в местах сопряжения головки со стержнем всегда прочнее винтов тех же размеров при действии динамических и переменных нагрузок.

Гайки служат для соединения скрепляемых с помощью болта или шпильки деталей. Как и головки винтов, гайки могут иметь разнооб­разную форму.

Назначение шайб, подкладываемых под гайку, головку винта или болта, — предохранение поверхностей деталей от задира при затяги­вании, увеличение опорной поверхности и стопорение.

Болты, винты, гайки изготавливают из углеродистых и легиро­ванных сталей, а крепежные детали общего применения — чаще всего из стали марок Ст З, Ст 4, Ст 5 без последующей термообработки. Бо­лее ответственные детали изготавливаются из сталей 35, 45, 40Х, 40ХН с поверхностной или общей термообработкой. Мелкие винты делают из латуни ЛС59-1, дюралюминия Д1, Д16. Для защиты поверхности крепежных деталей от коррозии, придания им необходимого цвета применяют цинкование, хромирование, кадмирование.

Угол подъема винтовой линии резьбы ( = 1,5... 2,5°) меньше угла трения в резьбовом соединении (ρ = 3°). Этим обеспечиваются само­торможение и предохранение от самоотвинчивания. Однако при виб­рации, тряске, динамических и транспортных воздействиях наблюда­ются ослабления резьбовых соединений, поэтому предусматривают их стопорение.

Для стопорения резьбовых соединений используют увеличение трения по поверхности контакта, введение запирающих элементов, пластическое деформирование, постановку винтов на краску, лак, эмаль. На рис. 18.2 приведены наиболее распространенные способы сто­порения. Это использование пружинных (рис. 18.2, а) или стопорных (рис. 18.2, б) шайб с внутренними и наружными зубьями по поверхности; специальных разрезных гаек с повышенным трением при стяги­вании их частей винтом (рис. 18.2, в); корончатых гаек, закрепленных шплинтом (рис. 18.2, г); отгибных шайб различной формы (рис. 18.2, д, е).

Рис. 18.2

18.1.2 Штифтовые соединения

Штифтом называют цилиндрический или конический стер­жень, плотно вставляемый в отверстие двух соединяемых деталей. Применяют штифты для точного взаимного фиксирования деталей и для соединения деталей, передающих небольшие нагрузки. В зави­симости от назначения штифты делят на установочные и кре­пежные.

П о ф о р м е различают цилиндрические и конические штифты. По конструкции рабочей части штифты выполняют гладкими и просечными, т.е. с насеченными или выдавленными канавками, что не требует развертывания отверстия и создает надежное соединение, предохраняющее штифт от выпадения в процессе работы.

На рис. 18.3 приведены основные типы штифтов: цилиндриче­ский (а), конический (б), конический разводной (в), цилиндриче­ские, насеченные с конца и посередине (г), и трубчатый пружинный (д).

Цилиндрические штифты удерживаются в отверстиях за счет на­тяга или силы трения. Для предупреждения выпадения цилиндриче­ские штифты должны изготавливаться с большой точностью и высокой чистотой поверхности. Отверстия под крепежные штифты в соеди­няемых деталях сверлят и развертывают совместно, для чего детали временно скрепляют.

Рис. 18.3

При многократной разборке и сборке нарушается характер по­садки и соответственно точность соединения. От выпадения цилиндрический штифт предохраняют путем кернения его концов, развальцовкой краев или специальными пружинящими предохранительными стандартными кольцами, изготав­ливаемыми из проволоки (рис. 18.4).

Рис. 18.4

Для удешевления соединения применяют насеченные и пружин­ные трубчатые штифты. Насеченные штифты не требуют точной об­работки отверстий и отличаются повышенной прочностью сцепления с материалом детали, но менее точно фиксируют детали. Пружинные трубчатые разрезные штифты обеспечивают прочное соединение де­талей, допускают повторные сборки и не требуют высокой точности обработки отверстий. Диаметр отверстия для такого штифта прини­мают на 15...20 % меньше наружного диаметра штифта.

Штифты изготавливают из сталей 45, А12, У8. При особых услови­ях работы соединения их могут изготавливать из других материалов.

Главные недостатки штифтовых соединений — значительное ослабление сечения вала отверстием под штифт и необходимость точ­ной обработки этого отверстия во избежание изгиба штифта или его выпадения. Поэтому диаметр штифта d для вала диаметром d_B задают из соотношения d (0,2...0,25) d_B, а при необходимости проверяют на сдвиг (срез).

18.1.3 Шпоночные соединения

Шпоночные соединения служат для передачи вращающего (крутя­щего) момента от вала к ступице насаженной на него детали (зубчато­го колеса, шкива, муфты и др.), или наоборот — от ступицы к валу. Шпоночные соединения осуществляют с помощью вспомогательных деталей — шпонок, устанавливаемых в пазах между валом и ступицей.

Достоинства шпоночных соединений — простота, надежность конструкции, невысокая стоимость, удобство сборки и разборки, а недостатки — ослабление вала и ступицы шпоночными пазами, не­устойчивость положения шпонки в пазах (выворачивание шпонки), трудность обеспечения взаимозаменяемости, повышенные требова­ния к точности изготовления, отсутствие фиксации деталей в осевом направлении.

В приборостроении применяют в основном соединения призма­тическими (рис. 18.5, а), сегментными (рис. 18.5, б) и цилиндрическими (рис. 18.5, в) шпонками. Клиновые шпонки в точных механизмах не применяют. Конструкция и форма шпонки связаны с технологично­стью изготовления пазов под шпонку. Пазы на валах фрезеруют, а в ступицах — прорезают протяжками.

Рис. 18.5

Шпонки могут применяться в качестве направляющих, обеспе­чивающих легкое перемещение деталей вдоль вала. Нагрузку у шпонок воспринимают боковые поверхности, которые сопрягаются с пазами по соответствующим посадкам. Призматическую шпонку с валом обыч­но соединяют по переходной посадке, а со ступицей — по посадке с зазором. Это препятствует перемещению шпонки вдоль вала и ком­пенсирует с помощью зазора неточности размеров, формы и взаим­ного расположения пазов. Такой характер соединения обеспечивает достаточную точность центрирования вала и ступицы. В радиальном направлении предусматривается зазор.

Призматические шпонки имеют прямоугольное сечение; они мо­гут быть с округленными, плоскими и смешанными торцами. Паз под шпонку на валу делают на глубину, равную примерно 0,6 ее высоты, а паз во втулке — на длину всей ступицы. Ширина и высота шпонки оп­ределены ГОСТом и выбираются в зависимости от диаметра вала. Вы­сота и ширина стандартных шпонок подобраны так, что прочность на сдвиг обеспечивается с избытком. При необходимости проверки шпо­нок на прочность проводят расчет на деформацию смятия.

Сегментные шпонки требуют более глубоких пазов в валах, что уменьшает прочность валов. Их применяют в случае передачи незна­чительных усилий. Работают они как призматические, но более удоб­ны в изготовлении.

Цилиндрические шпонки чаще всего используют для закрепле­ния деталей на конце вала. Отверстия для шпонки обрабатывают в со­единяемых деталях (вал и ступица) совместно. Шпонка устанавлива­ется с натягом.

Шпоночные соединения применяют обычно при передаче зна­чительных вращающих моментов при диаметре вала не менее 6 мм. В кинематических передачах и передачах с высоким требованием по точности рекомендуется использование штифтовых соединений.

Шпонки изготавливают из среднеуглеродистых сталей 40,45, Ст 6.

18.1.4 Шлицевые соединения

Шлицевые соединения служат для передачи вращающего момента между валами и установленными на них деталями.

Шлицевое соединение можно условно представить как много­шпоночное, шпонки которого выполнены вместе с валом. С помощью этого соединения можно обеспечить как подвижное (с осевым относи­тельным перемещением), так и неподвижное скрепление деталей. По сравнению со шпоночными шлицевые соединения имеют значительно большую нагрузочную способность, прочность валов, точность цен­трирования и направления ступиц в подвижных соединениях.

По форме поперечного сечения шлицев различают прямобочные, эвольвентные и треугольные шлицевые соединения. Наиболь­шее распространение получили прямобочные шлицевые соединения.

18.2 Неразъемные соединения

Неразъемным называют такое соединение деталей и узлов, раз­борка которого невозможна без повреждения деталей. Часто неразъ­емные соединения используют для получения деталей сложной формы и геометрии из простых дешевых элементов. К неразъемным относят сварные, паяные, заклепочные, клеевые и формовочные соединения.

18.2.1 Сварные соединения

Сваркой называют процесс соединения металлических, пласт­массовых деталей путем установления межатомных связей между со­единяемыми частями при местном нагреве, пластической деформа­ции или одновременном действии того и другого. Соответственно различают термическую, механическую и термомеханическую свар­ку. Наиболее распространенные виды термической сварки — элек­тродуговая, электронно-лучевая, газовая; термомеханической — кон­тактная и термокомпрессионная; механической — трением, холодная и ультразвуковая.

При электродуговой сварке (рис. 18.7, а) электрической дугой в месте контакта электрода 1 и соединяемых деталей 2 расплавляется металл деталей и электрода и получается прочный шов. Защитная обмазка металлического электрода образует при сварке большое количество шлака и газа, которые обеспечивают устойчивое горение дуги и защи­щают расплавленный металл от окисления. В месте сварки сильно окисляющихся при нагреве алюминиевых и магниевых сплавов, сплавов титана, высоколегированных сталей электрическую дугу окружают слоем инертного газа (аргона или гелия), что сильно удоро­жает сварку.

При газовой сварке для нагрева и плавления металлов используют теплоту газового пламени при сжигании ацетилена в кислороде. Та­кую сварку часто применяют для тонкостенных и легко окисляющихся деталей из металлов, обладающих различными температурами плав­ления, в частности для сварки деталей из конструкционных сталей толщиной до 2 мм, меди — до 4 мм. Газовая сварка вызывает неболь­шие деформации и структурные изменения.

Рис. 18.7

Электронно-лучевую (лазерную) сварку производят потоком элек­тронов большой энергии. Этим способом обычно сваривают туго­плавкие и сильно окисляющиеся металлы и сплавы. Сварку произво­дят в вакууме или в атмосфере аргона.

Контактная сварка — самый производительный вид сварки в массовом производстве. Различают точечную, стыковую и ролико­вую (шовную) контактную сварку.

При точечной сварке (рис. 18.7, б) тонкостенные детали соединяют внахлестку. Под действием давления электродов, проводящих ток к месту сварки, образуются точечные сварные соединения. Так как вы­сокие температуры действуют на небольших участках (точках), отсут­ствует коробление соединяемых деталей. Точечную сварку применяют при изготовлении кожухов, панелей, шасси, стоек и других деталей.

При стыковой сварке (рис. 18.7, в) соединяемые детали сжимают и в зоне контакта при прохождении электрического тока выделяется большое количество теплоты. Стыковой сваркой соединяют детали различных форм и сечений (круг, квадрат, труба, уголок и т.д.).

Роликовую сварку (рис. 18.7, г) осуществляют вращающимися диско­выми электродами. При этом получается непрерывный сварной шов, обеспечивающий герметичное соединение тонкостенных деталей.

Разновидностью контактной сварки является конденсаторная: ток к месту сварки подается в виде короткого импульса при разряде конденсаторов. Контактная сварка позволяет сваривать разнородные материалы, детали малых толщин и сечений (сварка в «шарик» мон­тажных приводов) и детали различных сечений.

Термокомпрессионная сварка — это сварка под давлением с мест­ным нагревом участка соединения за счет теплопередачи от нагретого электрода. Она применяется для присоединения металлических про­водников толщиной в десятки микрон к полупроводниковым кристал­лам, напыленным пленкам, т.е. при монтаже элементов микросхем.

При сварке трением нагрев в месте соединения осуществляется за счет теплоты, выделяющейся в месте контакта прижатых друг к другу и вращающихся по отношению друг к другу деталей.

Холодная сварка осуществляется без нагрева соединяемых дета­лей за счет их сжатия с помощью механических и гидравлических прессов до появления пластических деформаций. Холодной сваркой сваривают металлы с хорошими пластическими свойствами: алюми­ний и его сплавы, медь и некоторые ее сплавы, никель, олово, сереб­ро, разнородные металлы, например алюминий и медь. Для получе­ния прочных и плотных швов необходимо предварительно очистить поверхности контакта от оксидов. Прочность соединения при точеч­ной холодной сварке может быть выше, чем при точечной контактной сварке, но при этом значительно хуже внешний вид соединения из-за вмятин и пластической деформации.

Ультразвуковая сварка основана на создании в месте соединения деталей переменных напряжений сдвига с частотой ультразвуковых генераторов, преобразующих электрические колебания величин в механические. Ультразвуковая сварка позволяет сваривать металлы с различными, в том числе неметаллическими, покрытиями, пласт­массы.

В зависимости oт взаимного расположения соединяемых эле­ментов различают следующие виды сварных соединений: стыковые (рис. 18.8, а), нахлесточные (рис. 18.8, б), угловые (рис. 18.8, в), тавро­вые (рис. 18.8, г). Форму кромок и размеры поперечного сечения сты­ковых швов определяют в зависимости от толщины свариваемых де­талей и вида сварки. Угловые швы в поперечном сечении имеют форму прямоугольного треугольника. В зависимости от расположения по отношению к направлению нагрузки сварные швы делят на лобо­вые — шов перпендикулярен к направлению нагрузки (рис. 18.8, д), фланговые — шов параллелен направлению нагрузки (рис. 18.8, е), косые и комбинированные (рис. 18.8, ж).

Рис. 18.8

Достоинства сварных соединений — высокая производительность, равнопрочность, герметичность, возможность соединения различных материалов и деталей разных форм, а недостатки — появление оста­точных напряжений в местах сварки за счет локального нагрева, что может привести к деформации свариваемых деталей; недостаточная вибрационная и ударная прочность; необходимость проведения тер­мической обработки для снятия остаточных напряжений; сложность контроля дефектов и качества соединения.

Сварные соединения обозначают прямой линией, оканчиваю­щейся стрелкой, направленной к сварному шву (рис. 18.8, д—ж). Ли­ния соединена с полкой, над которой указывают параметры сварного шва. Если лицевая сторона сварного шва не видна, обозначение параметров помещают под полкой. Свойства сварного соединения опре­деляются свойствами материалов или их сочетаний, включая покры­тия соединяемых деталей; видом и технологическими параметрами сварки; формой и размерами шва.

Свойство материалов образовывать сварные соединения, отве­чающие требованиям конструкции и условиям эксплуатации, оценива­ется свариваемостью. Из материалов и их сплавов свариваются хорошо, без применения особых методов, малоуглеродистые конструкцион­ные и низколегированные стали (Ст0-СтЗ, 08-25, 15Х, 15Г и др.), алюминий и его сплавы (Д1, Д16, АМц, АМгЗ, АЛ2, АЛ4), медь и ее сплавы (МЗ, ЛС59-1, Л63, БрАЖ9-4, БрОФЮ-1, БрОЦ4-3 и др.); сва­риваются ограниченно только специальными методами или при опре­деленных режимах сварки среднеуглеродистые стали (30...45, 30Г, 30ХГС и др.); свариваются плохо высокоуглеродистые и высоколеги­рованные стали 65Г, У8, У10, чугуны.

Из неметаллических материалов сваривать можно только тер­мопласты (полиэтилен, полистирол, полипропилен и др.); при этом кромки деталей разогреваются до пластического вязкотекучего со­стояния, а затем подвергаются сжатию. В качестве присадочного ма­териала применяют пруток из той же пластмассы, что и свариваемые детали. Известны следующие способы сварки пластмасс: ультразву­ком, токами высокой частоты, трением, газовыми теплоносителями и нагретыми инструментами.

18.2.2 Соединения пайкой

Пайкой называют процесс соединения металлических или метал­лизированных деталей с помощью дополнительного связующего ма­териала — припоя, температура плавления которого ниже температуры плавления материала соединяемых деталей. В расплавленном состоя­нии припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Соедине­ние происходит путем межатомного сцепления, растворения и диф­фузии материала деталей и припоя.

В отличие от сварки пайка сохраняет неизменными структуру, механические свойства и состав материала деталей, вызывает значи­тельно меньшие остаточные напряжения. Прочность паяного соеди­нения определяется прочностью припоя и сцепления припоя с по­верхностями соединяемых деталей.

В качестве припоя применяют как чистые металлы, так и сплавы. В зависимости от температуры плавления припои бывают легкоплав­кие (мягкие) и среднетугоплавкие (твердые). К легкоплавким мягким припоям с температурой плавления до 500 °С относятся оловянисто-свинцовые сплавы с содержанием олова от 18 до 90 %, например ПОС-61 (61 % олова). Для понижения температуры плавления в эти сплавы вводят висмут и кадмий, а для увеличения прочности — сурь­му. Твердые припои содержат в своем составе медь, цинк, никель, се­ребро и имеют температуру плавления выше 500 °С. Мягкие припои применяют для получения главным образом надежных электриче­ских контактов при пайке и герметичных соединений. Твердые при­пои обеспечивают достаточную прочность шва при температуре свы­ше 100 °С, устойчивы к вибрациям, ударам и агрессивным средам.

Хорошее соединение пайкой можно получить только при чистых поверхностях спаиваемых деталей, свободных от оксидов и загрязне­ний, и при заполнении зазора между деталями припоем. Для очистки и защиты соединяемых поверхностей и припоя от окисления, для улучшения смачиваемости и лучшего растекания припоя применяют флюсы. Они способствуют очищению поверхностей от загрязнений, растворяют оксидные пленки, улучшают смачиваемость поверхностей припоем, обеспечивают лучшее затекание припоя в зазоры между спаиваемыми деталями. Флюсы должны обладать хорошей жидкоте-кучестью и иметь более низкую, чем у припоя, температуру плавления, что обеспечивает их вытеснение припоем. Они делятся на химически активные (бура, хлористый цинк и др.) и химически неактивные (ка­нифоль и спиртовые растворы). Применение первых требует тща­тельной промывки деталей после пайки.

Соединения пайкой могут выполняться при различных способах нагрева деталей и припоя. Наиболее распространенные виды пай­ки — пайка паяльником, газовой горелкой, в печи, индукционная, пайка в жидких средах, ультразвуковая, волной припоя, лазером, электронным лучом и др. Способ нагрева зависит от конструкции со­единения, материала соединяемых деталей, требуемого количества теплоты и температуры нагрева. Качество соединения определяется величиной зазора и плотностью его заполнения припоем, прочно­стью припоя и прочностью связи припоя с поверхностями соединяе­мых деталей.

Достоинства пайки — простота и дешевизна технологического процесса, широкие возможности его механизации и автоматизации, всех металлов и разнородных материалов (металл с керамикой, стеклом, резиной), малые остаточные температур­ные напряжения и деформации, малое электросопротивление мест соединения. Так как непосредственная пайка при соединении металлов с неметаллами невозможна, на поверхности неметаллических мате­риалов создают промежуточный слой из меди, никеля, серебра, кото­рый хорошо сцепляется с поверхностью этих материалов и обеспечи­вает качественную пайку с металлом. Недостатком соединений пайкой является их невысокая механическая и термическая прочность.

Различают паяные соединения внахлестку и встык. Наибольшую прочность имеет соединение внахлестку, но при этом увеличиваются габариты соединения. Соединение встык имеет малые габариты, но невысокую прочность.

18.2.3 Заклепочные соединения

Заклепочные соединения выполняют с помощью специальных крепежных деталей — заклепок (рис. 18.9, а, б) или непосредствен­ным расклепыванием цапф деталей (рис. 18.9, в, г).

Рис. 18.9

Заклепка представляет собой цилиндрический стержень с двумя головками, одна из которых, называемая закладной, выполнена зара­нее, а вторая (замыкающая) получается в процессе сборки под удара­ми инструмента. Соединяемые детали при этом сильно сжимаются. Форма и размеры заклепок стандартизированы (рис. 18.10). Стержень за­клепки может быть сплошным или полым. Заклепки изготавливают из пла­стичных материалов: низкоуглеродистых сталей (Ст2, СтЗ, 08, 10), меди (Ml), латуни (Л62), алюминиевых сплавов. Материал соединяемых деталей может быть тверже или мягче материала заклепок. Желатель­но, чтобы коэффициенты линейного расширения заклепок и соеди­няемых деталей были равными или близки по значению. В против­ном случае при изменении температуры возникнут дополнительные напряжения, что снизит прочность соединения. Диаметр заклепки принимают примерно в 1,8-2,0 раза больше минимальной толщины соединяемых деталей. Стержень заклепки должен выступать над со­единяемыми деталями примерно на 1,5d для образования замыкаю­щей головки. Для обеспечения лучшей механической прочности и предотвращения концентрации напряжений при посадке и клепке рекомендуется минимальный зазор между заклепкой и стенками от­верстия. Диаметр отверстия под заклепку принимают на 0,2...0,5 мм больше диаметра заклепки.

Рис. 18.10

Заклепочные соединения применяют для соединения трудно-свариваемых металлов и разнородных материалов; в конструкциях, подверженных действию вибрационных и ударных нагрузок; для соединения металлических деталей с неметаллическими. Выбор формы заклепки зависит от материала и толщины соеди­няемых деталей.

Стальные заклепки применяют для прочных соединений, а ла­тунные и алюминиевые. — для соединений, не требующих большой механической прочности. Для соединения деталей, изготовленных из хрупких или неметаллических материалов, используют полупустоте­лые и пустотелые заклепки (рис. 18.10, д, е).

Заклепки с полукруглой головкой — самые распространенные. Они применяются везде, где допустима выступающая головка. При­менение заклепок с потайной головкой целесообразно для деталей из прочных материалов при толщине более 2,0...2,5 мм. При меньшей толщине берут заклепки с полупотайной головкой. Для соединения мягких и эластичных материалов (винипласт, резина) необходимы большие площади головки, поэтому под заклепки ставят шайбы, про­кладки. Клепка и развальцовка заклепок не должны сильно деформи­ровать соединяемые детали.

Достоинства заклепочных соединений — возможность соедине­ния различных материалов, хорошая сопротивляемость вибрационным и ударным нагрузкам, удобство и надежность контроля качества соединения. К недостаткам относятся: трудоемкость (разметка, свер­ление отверстий, закладка и клепка заклепок); высокая стоимость; ослабление соединяемых деталей отверстиями; дополнительный рас­ход материала на накладки.

18.2.4 Клеевые соединения

Склеиванием называют соединение деталей тонким слоем быстротвердеющего раствора — клея. Процесс склеивания состоит из под­готовки соединяемых поверхностей деталей, нанесения клея, соедине­ния деталей и выдержки при определенных давлении и температуре.

Клеевые соединения применяют для скрепления деталей из раз­личных металлических и неметаллических (стекло, керамика, пласт­масса) материалов в любом их сочетании. К клеевым соединениям не предъявляют требований высокой прочности, но они должны хорошо сопротивляться вибрациям, воздействию влаги, колебаниям темпе­ратур. Соединения бывают чисто клеевые и клеемеханические (клеерезьбовые, клеесварные). Клеевые соединения улучшают герметиза­цию, снижают стоимость изделия и позволяют проще решать задачи миниатюризации конструкций. Их часто применяют в тех случаях, когда невозможно механическое крепление соединяемых деталей (например, склеивание оптического стекла с помощью прозрачных и неокрашенных клеев, крепление полупроводникового кристалла с кристаллодержателем).

Прочность клеевого соединения зависит от способа подготовки поверхностей. Желательно, чтобы они были шероховатыми. Для это­го применяют механическую (абразивную) и химическую (травление в растворах) обработку. Клеевой слой для повышения прочности дол­жен быть по возможности тонким (0,05...0,25 мм), тепло- и влагостой­ким, не должен подвергаться старению. Для обеспечения необходимого взаиморасположения склеиваемых деталей в конструкции предусмат­ривают фиксирующие элементы — выступы, впадины и т.п.

Клеи подбирают исходя из свойств материала соединяемых по­верхностей. Клеи делят на три группы: 1) твердеющие при удалении растворителя; 2) твердеющие при охлаждении расплава; 3) твердею­щие за счет химических процессов.

Процесс склеивания клеями первой группы сводится к нанесению на поверхность деталей раствора клея, сдавливанию деталей

и последующему удалению растворителя путем испарения или впи­тывания в склеиваемый материал. Такое клеевое соединение обладает свойством обратимости, его не применяют для изделий, работающих в условиях повышенной влажности и температуры. К клеям первой группы относят резиновые, казеиновые и другие виды клеев.

Клеи второй группы перед нанесением разжижают нагревани­ем, затем наносят на поверхности, которые сдавливают и выдержива­ют при комнатной температуре. Эти клеи также обратимы, т.е. при нагревании они становятся вязкими и соединения разрушаются.

Клеи третьей группы необратимы. Полученное с их помощью соединение обладает большой прочностью, однако процесс склеива­ния бывает сложным, некоторые клеи твердеют при нагревании соеди­нения. К таким клеям относят синтетические клеи типа БФ, «Момент», клеи на эпоксидной, эпоксиднокремнийорганической основе и др.

Клеевое соединение лучше работает на сдвиг, хуже — на отрыв. Его прочность зависит от сорта клея, толщины и качества слоя, проч­ности сцепления клея с поверхностями соединяемых деталей.

18.2.5 Соединения заформовкой и запрессовкой

Заформовка заключается в соединении металлических элементов (арматуры) со стеклом, пластмассами, резиной, легкоплавкими цин­ковыми, алюминиевыми и магниевыми сплавами путем погружения этих элементов в формуемый материал, находящийся в вязкотекучем или жидком состоянии. После застывания формуемого материала об­разуется неразъемное соединение. Таким способом получают различ­ные рукоятки (рис. 7.14), крышки, клеммовые держатели, детали для электроизмерительных, оптико-механических и электронных прибо­ров. Заформовка является единственным способом получения газо­непроницаемого соединения металлических электродов со стеклян­ными баллонами электровакуумных устройств.

Соединения заформовкой имеют следующие достоинства: не требуются высокие точность и чистота обработки погружаемых час­тей арматуры; можно получить необходимые (часто несовместимые) местные свойства элементов узла — электро- и теплопроводность ар­матуры при сохранении изоляционных свойств узла; уменьшаются масса изделий и расход металла, стоимость.

При заформовке практически отсутствует сцепление арматуры с формуемым материалом. Прочность и плотность соединений обеспечивают выбором соответствующих форм погружаемой арматуры в виде кольцевых проточек, впадин, уступов, уширений, загибов (см. рис. 18.11), увеличивающих поверхности контакта и препятствую­щих ее выдергиванию.

Рис. 18.11

Соединения запрессовкой получают путем создания гарантиро­ванного натяга между охватываемой и охватывающей поверхностями при сборке. После сборки вследствие упругих и пластических дефор­маций на поверхности контакта возникают удельное давление и соот­ветствующие ему силы трения, препятствующие взаимному смеще­нию деталей.

Сборка при соединении запрессовкой может осуществляться од­ним из трех способов: прессование без нагрева, с нагревом втулки или с охлаждением вала. Наиболее распространены соединения запрес­совкой по цилиндрическим поверхностям. Они применяются для со­единения зубчатых колес на валиках, зубчатого венца червячного ко­леса со ступицей. Для облегчения сборки на деталях выполняют направляющие фаски. Сборка с нагревом втулки может вызвать изме­нение структуры, коробление детали. Предпочтительнее сборка с охла­ждением вала. Для охлаждения применяют жидкий азот (-196 °С), сухой лед (-72°С).

При малых размерах соединяемых деталей часто используют за­прессовку на валик с накаткой, что значительно уменьшает стоимость соединения за счет снижения точности изготовления соединяемых поверхностей. На валу накатывают треугольные выступы (шлицы); при этом часть материала вала выдавливается инструментом и перво­начальный диаметр вала увеличивается. Прочность соединения зави­сит от глубины вдавливания накатанных зубцов в цилиндрическую поверхность сопряженной детали. В процессе запрессовки материал втулки деформируется и заполняет впадины вала. Соединение с на­каткой применяют для сборки стальных или латунных валиков с алю­миниевыми или пластмассовыми деталями. Этот вид соединения хуже прессового центрирует детали, но при этом не требуются высокие точность и чистота обработки поверхностей, упрощается сборка.

Чем больше натяг и параметры шероховатости поверхности, тем выше надежность соединения. К соединениям с гарантированным натягом относятся соединения с применением посадок Н7/и7, Н7/r6, Н7/р6 и др. Выбор необходимой посадки осуществляют из условий прочности по удельному давлению.

Достоинства соединений запрессовкой — отсутствие дополни­тельных креплений, простота конструкции, хорошая центровка со­прягаемых деталей, возможность передачи значительных осевых усилий и крутящих моментов. К недостаткам соединений относятся высокие точность и стоимость изготовления соединяемых деталей, сложность сборки, влияние натяга, коэффициента трения и рабочих температур на прочность соединения.