по трэс

8. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЪЕМНЫХ И НЕРАЗЪЕМНЫХ

МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

При изготовлении ЭА наряду с электрическими широко используются механические соединения, которые разделяются на две группы: разъемные и неразъемные. Разъемные соединения допускают полную разборку изделия на детали без разрушения их целостности, что позволяет быстро заменять детали и сборочные единицы в условиях эксплуатации. Резьбовые соединения в общем объеме занимают наибольший удельный вес (до 51 %), но характеризуются высокой стоимостью и трудоемкостью. К ним относятся резьбовое, байонетное, штифтовое, шплинтовое и др. Соединение считается неразъемным, если его разборка сопровождается разрушением материалов или деталей, с помощью которых оно осуществлено. Неразъемные соединения выполняют пайкой, сваркой, расклепыванием, развальцовкой, запрессовкой, склеиванием и т. д. (рис. 8.1). Расклепывание применяют для конструкций, работающих при высоких температурах и давлениях, для прочных соединений неметаллических деталей с металлами. Недостатками клепаного соединения являются: отсутствие герметичности шва, ослабление материала в месте соединения, концентрация и неравномерное распределение напряжений, возникновение в соединениях значительных деформаций, которые искажают взаимное положение деталей. Это вызывает необходимость в повышении требований к жесткости используемых приспособлений.

Склеивание Обжимка

3% Зачеканка2% Сварка 3%

Клепка 4%

7%

Запрессовка

9%

Рис. 8.1. Соотношение видов механических соединений

Пайка и сварка конструкционных деталей имеют те же физико-химические особенности, достоинства и недостатки, что и при выполнении монтажных соединений. Некоторые отличия заключаются в технологии: подготовке деталей, выборе материалов, режимах и оборудовании.

Склеивание применяют для соединения материалов в самых различных сочетаниях. Клеевые соединения обладают высокой долговечностью, коррозионной стойкостью, теплоизолирующими, звукопоглощающими, демпфирующими свойствами, герметичностью. Склеивание отличается простотой, низкой себестоимостью сборки, легко может быть переведено на поточное производство. В настоящее время широко применяют комбинированные методы неразъемных соединений — клеесварные и клееклепаные. К недостаткам клеевых соединений следует отнести сравнительно низкую стойкость при повышенных температурах, пониженную прочность при неравномерном отрыве, дефицитность, а также токсичность многих составляющих клеевых композиций.

8.2. РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

208

Резьбовое соединение

При механической сборке применяются следующие виды разъемных соединений: резьбовые (до 90 %), штифтовые, шплинтовые, байонентные. Резьбовые соединения выполняются с использованием винтов, болтов, резьбовых шпилек, самонарезающих шурупов и применяются для установки наиболее тяжелых крупногабаритных деталей и сборочных единиц (трансформаторов, дросселей, переключателей, приборов). Основным видом резьб является метрическая М2— М6. Для предохранения поверхностей деталей от повреждений под гайки, головки болтов и винтов подкладывают шайбы (рис. 8.2).

аб

Рис. 8.2. Резьбовые соединения:

а – болтовое; б – винтовое; 1 – болт; 2, 3, 4 – винты с потайной, полукруглой и круглой головками соответственно; 5 – шайба

При выполнении резьбового соединения момент затяжки определяется условиями работы резьбового соединения и тем, какой элемент (винт, гайка) ограничивает прочность соединения. При соединении металлических деталей винтом или болтом момент затяжки лимитируется их прочностью на растяжение. Если винт используется для стопора, то момент затяжки ограничивается прочностью его шлицев на смятие. При соединении неметаллических деталей момент затяжки лимитируется прочностью этих деталей.

Для определения максимально допустимого момента затяжки, когда винт подвергается кручению, необходимо рассчитать допустимое напряжение затяжки:

σдоп. кр = kп σт ,

где kп — коэффициент прочности материалов резьбового соединения, для часто разбираемых соединений kп=0,4—0,5, для неразбираемых или редко разбираемых kп = 0,7—0,8; σт — предел текучести материала.

В случае, если момент затяжки определяется по прочности винта на растяжение, допустимое напряжение затяжки уменьшается с учетом коэффициента приведенной прочности, который учитывает, что тело винта находится в сложно напряженном состоянии, так как наряду с растяжением на него действуют нормальные и касательные напряжения от осевой силы момента кручения в резьбе:

где α — угол подъема резьбы; ξ — приведенный угол трения в резьбе.

Максимальные моменты затяжки рассчитывают в зависимости от конструкции резьбового соединения по следующим формулам:

∙ при работе резьбового соединения на кручение (завинчивание резьбы в упор)

M зат ≤ k1 kи σт d 03 ,

где k1 — эмпирический коэффициент (0,05—0,07), зависящий от материала винта; d0 — диаметр резьбы;

∙ с учетом прочности шлицев на сминание

209

M зат ≤ k2 kи σт a0 d03 ,

d1

где k2 = (0,08 — 0,085); a0 — глубина шлица; d1 — диаметр головки винта;

∙ при работе резьбы на срез

где k3 = (1,5 — 1,54); Н — высота гайки; k4 — коэффициент, определяющий условие затяжки: для круглой и цилиндрической головки винта k4 = 1,2, для потайной k4 = 1,65; μ — коэффициент трения (0,15 — 0,57);

∙ при работе резьбового соединения на растяжение

M зат = 0,6 σдоп. р d03 (0,03 + k4 μ) .

Для механизированной сборки разъемных соединений при блочной и окончательной сборке в качестве оснастки применяют ручные электрифицированные и пневматические инструменты. Инструмент с электроприводом (электроотвертка) приводится в движение встроенным электродвигателем типа МН-250 мощностью до 1000 Вт и скоростью завертывания 1000 об/мин. Достоинствами электроотвертки являются: высокая производительность, возможность 5 — 7- кратной перегрузки по крутящему моменту. Недостатки — большие масса и потребление электроэнергии. Электродвигатель работает в импульсном режиме от источника постоянного тока в течение 0,1 с. Электроотвертка предназначена для метрических резьб М2— М6. Регулировкой пружины обеспечивается момент завертывания в пределах 500 — 1100 Н·м при скорости завертывания 250 об/мин.

Пневматический резьбосборочный инструмент ПГ-125 экономичен в работе, имеет небольшую массу и "мягкую" характеристику привода, универсален, безопасен, допускает большие перегрузки. Скорость завертывания 200 — 500 об/мин, питание от сети сжатого воздуха давлением 0,3 — 0,5 МПа. Применяется для резьб М2— М5. Недостатками являются повышенный шум при работе, малое быстродействие. Малогабаритный пневмозавертывающий инструмент типа ПВ-М3 предназначен для резьб диаметром до 3 мм, имеет массу 380 г, максимальный момент затяжки 300—500 Н·м и скорость вращения на холостом ходу до 650 об/мин. Широко применяется механизированный инструмент ПГ-102, в котором с помощью гибкого вала вращение от электродвигателя передается редуктору со скоростью 146 об/мин. Инструмент состоит из вертикальной телескопической поворотной колонки, имеющей горизонтальную консоль, по которой перемещается каретка с закрепленными на ней электродвигателем и редуктором. От него с помощью подвески в виде гибкого вала вращение передается на резьбоверт. Наличие редуктора позволяет завинчивать винты от М2,5 до М6. Резьбоверт может от-

клоняться от вертикали на 30°.

Резьбовые соединения предохраняют от самопроизвольного отвинчивания различными видами стопорения по ГОСТ 30133—95.

Стопорение наглухо, обеспечивающее высокую надежность, но неудобно для разборки. Осуществляется кернением самой резьбы или сквозной прошивкой винта либо болта с помощью конического или цилиндрического штифта (винта) (рис. 8.3).

Стопорение с помощью фигурных шайб: с носком, с лапкой для нерегулируемых и неремонтируемых соединений специальной аппаратуры, с наружными и внутренними ушками.

Стопорение пружинными шайбами со смещенными краями (шайбы Гровера) с подкладыванием под шайбу Гровера дополнительной стальной шайбы для защиты от повреждения поверхности детали заостренными концами шайбы (рис. 8.4).

210

Рис. 8.3. Виды стопорения наглухо:

а, б – кернением; в – штифтом; 1 – места кернения; 2 – штифт

Стопорение путем повышения сил трения в резьбе и на опорных торцах головок винтов, болтов или гаек. Оно достигается с помощью контргайки, которая увеличивает силы трения, либо применением специальной гайки со смещенными витками, которая имеет дополнительный поясок со смещенными двумя-тремя витками резьбы (рис. 8.5, а). Иногда в эту гайку закладывается упругий элемент — фибра (рис. 8.5, б). Для стопорения используют также разгибки в стороны свободных концов разрезанного винта (рис. 8.5, в).

Рис. 8.4. Стопорение пружинными шайбами:

а – шайба; б – стопорение гайки; в – стопорение детали из мягкого материала; 1 – шайба Гровера; 2 – стальная шайба

Стопорение краской или заливочной массой. Оно является самым простым и дешевым видом, совмещается с операцией контроля и применяется в бытовой ЭА. Состав заливочной массы: 75 % нитроэмали, 25 % молотого талька. После нанесения заливочной массы соединение подвергают сушке в течение 3—5 ч. Краска может наноситься с одной стороны резьбового соединения, по периметру выхода резьбы и заливкой головки винта. Для тропического исполнения аппаратуры вместо краски используют анаэробные герметики типа "Унигерм 2Н",

которые сушат в течении 6 ч при температуре 60 °С.

Рис. 8.5. Стопорение повышением сил трения: 1 – основная часть гайки; 2 – кольцевая проточка;

3 – поясок; 4 – часть гайки со смещенными винтами; 5 – фибра; 6 – винт; 7 – разведенные концы винта

Стопорение шплинтом с корончатой (прорезной) гайкой или проволочной петлей, которые являются легко заменяемыми и сравнительно дешевыми элементами, обеспечивающими достаточную надежность.

Штифтовые соединения применяются для соединения деталей, испытывающих крутящие моменты. Используют штифты цилиндрической и конической формы из высококачественной легированной стали. Конические штифты имеют конусность K = (D − d ) / l и создают натяг при сборке деталей. Штифтовка является слож-

211

ной и ответственной операцией, поскольку неправильная посадка штифта приводит к отказу аппаратуры. Штифтовые соединения как самостоятельные используются редко, обычно их применяют для стопорения резьбовых соединений.

Шплинтовые соединения используют в основном для крепления шайб и гаек на осях и болтах. Шплинт свободно вставляют в отверстие, проходящее через гайку и ось болта, а его выступающие концы разводят.

Байонетное соединение — основной вид присоединения коаксиальных разъемов, экранов пальчиковых радиоламп и других деталей. Оно удобно в разборке, но характеризуется наименьшей надежностью. При выполнении этого соединения выступы одной детали входят в прорези другой полой детали, а затяжку соединения производят, поворачивая одну деталь относительно другой.

8.3. НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Заклепочное соединение применяют для листовых металлических деталей, когда требуется обеспечить его высокую механическую прочность. Заклепки изготавливают из мягкой стали (Ст3, Ст5, Ст10) для соединения стальных деталей конструкции с высокой механической прочностью, а из латуни — для низкого электрического сопротивления и достаточной механической прочности. Эти металлы подвергаются коррозии, поэтому после выполнения соединения заклепки покрывают лаком или краской. Для деталей малой массы в ВЧ- и СВЧ-цепях применяют медные заклепки М1, М2, а для неответственных деталей с малой массой — из алюминия марок А1 и А2. Заклепки имеют полукруглую, потайную или полупотайную головку.

Замыкающую головку заклепки образуют ударами специальной обжимки по стержню заклепки, которая с противоположной стороны опирается на специальную поддержку — наковальню (рис. 8.6, а). Наковальня должна иметь лунку по форме закладной головки, ее масса в 4—5 раз больше массы молотка.

Рис. 8.6. Соединение расклепыванием (а) и развальцовкой (б): 1,3 – детали; 2 – закладная деталь

Механизация клепки осуществляется высокопроизводительными вибрационными или соленоидными прессами, пневматическими приспособлениями с усилием 1—5 кН. Контроль качества соединения осуществляют наружным осмотром, при котором обращается внимание на правильность формы головки и точность прилегания к листам.

Для расклепывания в мелкосерийном производстве применяются наковальни или молотки (массой 200— 500 г), в серийном — пневматическая расклепочная оснастка с усилием 1—5 кН, в случае повышенной прочно-

212

сти — кривошипно-шатунные либо вибропрессы с усилием несколько тонн. Виды и причины брака при клепке листов приведены в табл. 8.1.

Развальцовка применяется для соединения металлических и неметаллических деталей, например разъема с печатной платой. Она характеризуется меньшим усилием образования соединения за счет применения пустотелой заклепки, так называемого пистона, имеющего вид трубки, развальцованной с одной стороной (рис 8.6, б). Пистоны изготавливают из алюминия, латуни, стали и красной меди.

Отверстия в деталях не совпадают

Смещение закладной головки

Пример. Для заклепки из латуни ЛС59-1 диаметром 3 мм площадь соединения S = π(1,5d0)2 / 4 =15,8 мм2 , а усилие расклепывания

P = 2 × 215 ×106 ×15 ×106 » 6,5 кН . Для развальцовки пистона (dн = 1,5 мм и dвн = 0,8 мм), изготовленного из латуни ЛС59-1,

P = 215 ×1,2 = 258 Н .

213

Соединения пластической деформацией образуются путем деформации элементов крепления деталей либо зачеканки одной детали в другую (например, сборка роторной секции конденсатора переменной емкости). Этот процесс отличается высокой производительностью, не требует специальных деталей, однако не рекомендуется при значительных механических нагрузках.

Запрессовка обеспечивается необходимым натягом при условии, что диаметр охватывающей детали меньше диаметра охватываемой детали. Для мелких деталей усилие создают молотком, для больших — с помощью пресса. Для соединения металлических деталей применяют посадки: глухую (Гл), тугую (Т), напряженную (Н). Усилие запрессовки зависит от разности диаметров, формы и чистоты поверхности соприкасающихся деталей. Иногда для обеспечения запрессовки одну из деталей нагревают. Для соединения деталей из пластмасс под натягом рекомендуются посадки: H8 / k8 в системе отверстий, N8 / h8 в системе вала.

Опрессовка (армирование) заключается в образовании соединения металлической и неметаллической дета-

лей путем литья под давлением либо опрессовкой реактопластами (Т = 160—220 °С, Р = 2—5 МПа). Склеивание — это технологический процесс соединения деталей с помощью специальных связующих мате-

риалов, которые вследствие взаимодействия с поверхностью деталей и изменения своего физического состояния способны формировать прочные соединения. Соединение склеиванием является результатом проявления сил адгезии, аутогезии и когезии.

Адгезией называется явление сцепления двух разнородных материалов при их контакте, которое возникает в результате проявления сил молекулярного взаимодействия клея и соединяемой поверхности. Аутогезией называется явление сцепления поверхностей однородных материалов (самослипание). Когезия — явление сцепления молекул склеивающего материала в объеме тела. В пленке клея наблюдается образование прочных молекулярных цепей от границы раздела фаз в глубь полимера, что повышает прочность клеевого шва.

Общая схема развития сцепления при склеивании включает следующие процессы: адсорбция — адгезия — смачивание — поверхностные химические реакции. Адсорбция есть явление концентрации молекул полимера из раствора вблизи поверхности субстрата (подложки) под действием молекулярных сил. Различают два вида адсорбции: физическую и химическую. Физическая адсорбция вызывается силами Ван-дер-Ваальса и почти не требует энергии активации. Поскольку энергия связи при физической адсорбции мала (порядка 4—5 кДж/моль), то этот процесс обратим и энергетическое состояние адсорбированных молекул мало отличается от свободных. Взаимодействие молекул адгезива и субстрата происходит в результате полярных, индукционных и дисперсионных сил.

Мерой полярности молекул служит дипольный момент:

μ = q r ,

где q — заряд; r — расстояние между центрами.

Индукционные силы возникают в результате взаимодействия постоянного диполя с неполярными молекулами. Дисперсионное взаимодействие свойственно всем молекулам и обусловлено смещением центров положительных и отрицательных зарядов относительно среднего положения в отдельные мгновения.

Химическая адсорбция протекает со значительным тепловым эффектом (40—400 кДж/моль) и требует заметной энергии активации. При этом происходит изменение электронной структуры взаимодействующих молекул.

Процесс склеивания состоит из нескольких стадий. На первой стадии образования соединения в результате броуновского движения молекул в адгезиве и адсорбции молекул адгезива происходит накапливание молекул клеящего вещества у поверхности субстрата. Перемещение молекул адгезива интенсифицируется давлением и нагревом. На второй стадии, когда расстояние между молекулами клея и субстрата станет менее 5 нм, начинают

214

действовать межмолекулярные силы адгезии, приводящие к образованию различных связей типа "диполь— диполь", "диполь— наведенный диполь". Связи между молекулами адгезива и субстрата оказываются более прочными, чем взаимодействие молекул полимера с молекулами растворителя клея. Это усиливает миграцию молекулярных цепей полимера к субстрату и приводит к образованию большого числа точек контакта.

Работа сил адгезии между твердым телом и жидкостью определяется уравнением Дюпре

Wт.ж = γт.г + γж.г − γт.ж ,

где γт.г, γж.г, γт.ж — поверхностные натяжения на соответствующих границ раздела (рис. 8.7).

С учетом того, что соотношение сил поверхностного натяжения определяется равенством Юнга γт.г = γт.ж + γж.г cos θ ,

получим следующее уравнение для работы сил адгезии:

Wт.ж = γж.г (1 + cos θ) .

Из этого уравнения следует, что максимальная работа сил адгезии будет получена при cos θ = 1, т. е. когда угол θ = 0. В этом случае жидкость полностью смачивает поверхность твердого тела.

σг, ж

Газ

Жидкость

σт, г

σт, ж Твердое тело

Рис. 8.7. Схема растекания капли жидкости по поверхности твердого тела Обычно поверхность твердого тела загрязнена жировыми пленками, которые в значительной мере изме-

няют поверхностные свойства тел. Для увеличения работы адгезии при склеивании эти пленки необходимо удалять.

Прочность клеевого соединения увеличивается, если склеиваемые материалы имеют разветвленные поры, что способствует диффузии молекул полимера в пограничный слой материала. Тонкие пленки клея (0,1—0,2 мм) дают более надежное соединение за счет прочных межмолекулярных сил, чем толстые слои.

Технологический процесс склеивания состоит из следующих операций:

∙очистка поверхностей деталей от загрязнений;

∙нанесение клея на склеиваемые поверхности;

∙подсушивание нанесенного слоя клея;

∙соединение склеиваемых деталей и полимеризация клея;

∙контроль качества клеевых соединений.

Подготовку поверхностей деталей под склеивание проводят механической обработкой (гидропескоструйной очисткой, шлифованием, зачисткой наждачной бумагой). Обезжиривание осуществляют органическими растворителями (трихлорэтилен, этиловый спирт и др.).

Клей наносят на склеиваемые поверхности кистью, пульверизатором или путем окунания. Толщина клеевого шва должна находиться в пределах от 0,1 до 0,25 мм. Подсушивание нанесенного слоя клея перед соединением деталей необходимо для удаления растворителей. Если растворитель остается в клеевом слое во время сборки, это может привести к образованию непрочных соединений. Подсушка производится обычно на воздухе в течение 5—20 мин. После склеивания деталей осуществляется полимеризация клея при повышенных темпе-

ратуре и давлении. Так, для клеев БФ температура нагрева составляет 60– 120 °С, давление — (1,5—8) ·105 Па.

215

Контроль качества клеевых соединений осуществляют визуальным ocмoтром, с помощью дефектоскопов (ультразвуковой резонансный метод), выборочным испытанием изделия на разрушение. Для многослойной системы материалов наблюдаются четыре типа разрушения:

∙адгезионный — полное отслаивание адгезива от субстрата;

∙аутогезионный — разрушение по месту слипания склеиваемых поверхностей;

∙когезионный — разрушение одного из склеиваемых материалов или самой клеевой пленки;

∙смешанный — характеризуется частичным расслаиванием по месту контакта либо частичным разрушением адгезива или субстрата (рис. 8.8).

Рис. 8.8 Типы разрушений клеевых соединений

Основные типы клеев и условия проведения склеивания приведены в табл. 8.2.

Табл. 8.2. Характеристики клеев

8.4. ПАЙКА МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Конструкционная пайка выполняется низко-, средне- и высокотемпературными припоями. Низко- и среднетемпературная пайка применяется в производстве прецизионных паяных соединений, так как уменьшение нагрева существенно снижает деформацию деталей, а высокотемпературная — при изготовлении крупногабаритных конструкций, для которых требуется высокая механическая прочность и термостойкость.

Процесс конструкционной пайки аналогичен процессу выполнения монтажной, меняются только типы паяных соединений (рис. 8.9) и повышаются требования к жесткости фиксации деталей перед выполнением соеди-

216

нения. Наибольшей механической прочностью обладают соединения внахлестку и встык с накладкой, а повышенной точностью — ступенчатое. Для крепления деталей применяют штифтовое соединение, прихватку сваркой, развальцовку, отборцовку, точечное обжатие, кернение, специальные конструктивные элементы (гнезда, уступы, буртики) и т. д. Поступающие на сборку детали должны удовлетворять требованиям технологичности и иметь в закрытых объемах отверстия диаметром 0,5—1,5 мм для выхода воздуха и газов в процессе пайки, технологические припуски 1—2 мм на длину во фланцевых соединениях для улучшения условий формирования галтели, покрытия с хорошей паяемостью.

Рис. 8.9. Типы паяных соединений:

а – встык, прочность шва низкая; б – вскос, прочность шва более высокая; в – ступенчатое соединение, повышенная точность сборки и прочность соединения; г – внахлестку, прочность шва зависит от площади перекрытия; д – встык с накладкой, прочность соединения высокая; е – в замок, повышает прочность и плотность шва по сравнению с соединением в тавр (ж); з – телескопическое, повышает точность сборки и прочность соединения; и - соединение трубы с фланцем

Выбор припоя и флюса определяется требованиями, предъявляемыми к аппаратуре. Основные типы высокотемпературных припоев и флюсов, а также области их применения приведены в справочной литературе и отраслевых стандартах.

Высокотемпературную пайку механических соединений выполняют в поле токов высокой частоты, в печи или в ванне с расплавленной солью.

Индукционная пайка основана на разогреве паяемых деталей под действием электромагнитного излучения. Вследствие поверхностного эффекта тепловая энергия локализуется в тонком слое, толщина которого определяется глубиной проникновения токов ВЧ. Учитывая габаритные размеры и материал соединяемых деталей, подбирают частотный режим пайки. Для толстостенных изделий применяют низкочастотный нагрев в диапазоне 10—60 кГц, для тонкостенных — высокочастотный в диапазоне 200—1000 МГц.

Технологической оснасткой для пайки токами ВЧ является индуктор, представляющий собой катушку, изготовленную из высокопроводящего трубчатого материала, через которую интенсивно прокачивается охлаждающая жидкость. Термический КПД нагрева системы "круговой индуктор — деталь" рассчитывается по формуле

где Dи, Dд — диаметры индуктора и детали; δ — глубина проникновения токов ВЧ; μ — магнитная проницае-

мость материала детали; ρ1, ρ2 — удельные электрические сопротивления материалов индуктора и детали.

Из формулы видно, что КПД прямо пропорционально зависит от значений величин ρ2 и μ, т. е. тем выше,

чем большие значения ρ2 и μ имеет нагреваемый материал (для сталей ηт = 0,7—0,8 , для меди и медных спла-

вов ηт = 0,5—0,6).

217