СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ВАЛАХ ТОЧЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
METHOD FOR OBTAINING A KEY CONNECTION ON SHAFTS BY SPOT ELECTROMECHANICAL PROCESSING

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к методам изготовления, восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин электромеханической обработкой, направлено на повышение долговечности шпоночных соединений на валах в условиях массового и ремонтного производства.
Плотные соединения (посадки) шпонок на валах обеспечиваются точным изготовлением стандартных размеров шпонок и шпоночных пазов на валах, зависящих от диаметра вала (см. Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация: учебное пособие / Я.М. Радкевич, А.Г. Схиртладзе, Б.И. Лактионов. - 2-е изд. - Саратов: Вузовское образование, 2019. - 791 с. и Яковлев С.А. Лабораторный практикум по метрологии: учебное пособие / С.А. Яковлев - Ульяновск: УлГАУ, 2017. - 116 с). Для получения плотных соединений шпонка по ширине делается на десятки микрометров больше ширины шпоночного паза, что позволяет получить натяг при сборке шпонки с валом, как правило, с помощью пресса.
Недостатками таких технологий является сложность технологии сборки, необходимость закалки вала по шпоночному пазу до необходимой твердости. Процессы закалки отличаются сложностью и большими затратами энергии, большим термическим влиянием на деталь, что приводит к значительным деформациям изделий. Кроме того после закалки необходимо применять дополнительные методы финишной механической обработки для получения точных размеров шпоночного паза.
8
9
2
Известны способы электромеханической обработки деталей машин на металлорежущих станках (Яковлев С.А. Влияние электрофизических параметров на электромеханическую обработку деталей машин: монография / С.А. Яковлев. - Ульяновск: УВАУ ГА (И), 2014.-129 с.) при которых через зону контакта деформирующего электрод-инструмента (ролика или пластины) и детали проходит ток большой плотности (10-10 А/м) и низкого (1-6 В) напряжения, вследствие чего на контактирующей поверхности изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла внутрь детали, что приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости.
Однако данные способы не позволяют обеспечить нужное соединение шпонки на валу.
Известен способ упрочнения деталей из среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей (Патент №2270259 принят за прототип), включающий упрочнение путем кратковременного высокотемпературного воздействии тока силой 16 кА с нанесением на поверхность детали пятен контакта в шахматном порядке или по линиям армирования.
В результате применения этого способа формируются точечные упрочненные участки, что повышает износостойкость деталей, не требуется дальнейшей механической обработки и расхода дополнительных материалов.
Однако данный способ не применим для получения шпоночных соединений на валах.
Известен способ получения шпоночного соединения на валах, включающий установку шпонки в шпоночный паз вала с зазором, нагрев шпоночного паза электродом-инструментом для электромеханической обработки и пластическую деформацию металла (патент РФ №2713887 -принят за прототип), отличающийся тем, что электрод-инструмент устанавливают вертикально и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,3…1,5 мм от края паза с обеспечением осадки и раздачи металла вала в сторону паза, при этом раздача металла ограничена шпонкой.
При обработке по данному способу происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа.
Недостатком такого способа является необходимость применения специального станочного оборудования или приспособлений, обеспечивающих равномерное перемещение с определенной скоростью электрод-инструмента вдоль шпоночного паза в процессе электромеханической обработки. Еще одним недостатком является необходимость применения больших токов и усилий прижатия инструмента к детали для эффективной осадки и раздачи металла в сторону паза. Применение больших токов при непрерывной электромеханической обработке вдоль шпоночного паза приводит к значительному нагреву вала и снижению его способности охлаждать нагретые до аустенитного состояния объемы металла, что может привести к короблению валов небольших размеров и уменьшению упрочняющего эффекта.
Достигаемый технический результат по заявленному изобретению - это упрощение способа и повышение эффективности получения плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза за счет перераспределения металла применением точечной электромеханической обработки с использованием шпонки, установленной в шпоночный паз.
2
Указанный технический результат достигается за счет того, что обработку проводят прерывисто точками (участками) округлой формы площадью 5…80 мм, причем первую точку обрабатывают в начале шпоночного паза, вторую точку обрабатывают в конце шпоночного паза, после чего следующие точки обрабатывают последовательно в направлении от второй к первой с определенным шагом, обеспечивая необходимые расстояния между точками вдоль паза 0…5 мм.
На фиг. 1 представлена схема установки шпонки в шпоночном пазу. Шпонка 2 устанавливается на дно шпоночного паза вала 1 и прижимается к одной из боковых поверхностей шпоночного паза, образуя зазор. Величина зазора может составлять десятки микрометров, для изношенных шпоночных пазов величина зазора может достигать до 2 мм.
На фиг. 2 представлена схема получения шпоночного соединения на валах. Способ осуществляется следующим образом. На специальной оправке (не показана) крепится инструмент 5 для электромеханической обработки шпоночного паза. Инструмент прижимается сверху вертикально на расстоянии 0,3…1,5 мм от края шпоночного паза вала 1 с усилием Р.
Инструмент для электромеханической обработки 5 подсоединен с помощью токоподводящих кабелей 4 к источнику питания - силовому модулю для ЭМО 3, образуя с деталью общую электрическую цепь. При кратковременном замыкании электрической цепи происходит мгновенный нагрев (током до 5000 А) в месте контакта инструмента 5 с поверхностью шпоночного паза выше температуры выше фазовых превращений и механическое воздействие этим инструментом с усилием Р. Это позволяет инструменту 5 эффективно осаживать в горячем состоянии поверхность шпоночного паза с раздачей в сторону шпоночного паза. Деформация металла в сторону шпоночного паза ограничивается наличием шпонки.
При выключении электрического тока источник термомеханического воздействия устраняется, что приводит к последующему охлаждению нагретых участков вглубь детали за счет ее массы, в результате чего происходит упрочнение поверхностного слоя боковой поверхности шпоночного паза. После этого инструмент для электромеханической обработки 5 перемещается в следующую точку (участок).
На фиг. 3 представлен вид сверху шпоночного соединения со схематической последовательностью нанесения участков (точек) вдоль шпоночного паза. Первую точку обрабатывают в начале шпоночного паза, вторую точку обрабатывают в конце шпоночного паза, после чего следующие точки (3, 4, 5…n) обрабатывают последовательно в направлении от второй к первой с определенным шагом, обеспечивая необходимые расстояния между точками вдоль паза s. Количество точек зависит от длины шпоночного паза, размеров точек и расстояний между точками s.
2
Величина площади точки (участка) округлой формы в пределах 5…80 мм является отдельным вопросом и зависит размеров вала и шпонки, величины предварительного зазора шпоночного соединения, требований эксплуатации и других факторов.
Начальная обработка в участках 1 и 2 позволяет надежно зафиксировать шпонку по противоположному краю шпоночного паза.
Сила тока и время его включения, усилие прижатия инструмента Ρ к детали, расстояние от края паза до инструмента, расстояние между точками s, материал и форма инструмента принимаются исходя из задач и требований технологического процесса.
При обработке по данному способу в определенных участках происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа, упрощается способ и повышается эффективность получения плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза.