Применение клеев в соединениях деталей цилиндрической

____________________________________________________________________________
Большинству вариантов соединения деталей цилиндрической формы
едва ли не столько же лет, сколько человеческой цивилизации вообще.
Казалось бы, что тут можно придумать нового? Оказывается, на помощь
конструкторам таких соединений могут прийти материаловеды. Пример
тому – анаэробные клеи, которые ныне используются для соединений
деталей, контровки и герметизации резьбовых соединений. В итоге
рождаются комбинированные методы соединений, иногда довольно
экзотические.
Применение клеев в соединениях деталей цилиндрической формы
Типы соединений, используемые для передачи вращающих, осевых или радиальных нагрузок от вала к
ступице (или наоборот), подразделяются на 4 категории:
1. Жесткое механическое соединение (например, шлицевое).
2. Соединение трением (например, прессовая посадка).
3. Сварка или пайка.
4. Клеевое соединение.
Прежде чем подробно изучить особенности клеевых соединений, а также комбинированных соединений на
их основе, рассмотрим ниже основные положительные и отрицательные стороны всех типов соединений.
ЖЕСТКОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ
Это, как известно – традиционный и наиболее распространенный метод кинематической связи на основе
стандартных шпоночных соединений, включающий шлицы, пальцы и зубья. Такой способ соединения
относительно прост для сборки и демонтажа и может передавать достаточно большие крутящие моменты.
Однако, наряду с этими преимуществами имеется ряд недостатков – например, возникновение высоких
нагрузок из-за "эффекта зазубривания", который возникает непосредственно в местах фиксации, высокая
стоимость механической обработки, а также необходимость устранения осевых перемещений и люфта,
присущих большинству конструкций. Шпоночным соединениям также свойственно неравномерное
распределение массы, отсутствие равновесия, что может повлечь за собой возникновение дисбаланса и
вибраций при высоких скоростях вращения.
СОЕДИНЕНИЕ ТРЕНИЕМ
Наиболее распространенные соединения трением включают в себя зажимные муфты и детали, собранные
с применением прессовой, горяче-прессовой, и конусной посадок. Применение этого способа соединения
может быть очень экономичным, обеспечивающим хорошую балансировку и не требующим
дополнительной осевой фиксации. Однако эти методы имеют свои недостатки – передача крутящего
момента основываются только на трении, поэтому для них имеются ограничения в применяемых
материалах, форме поверхностей, а также необходима точная механическая обработка, что приводит к
высокой себестоимости производства. Демонтаж таких сборок, за исключением конусных посадок и
развальцованных втулок, может быть затруднен или вообще невозможен из-за внедрения друг в друга
материала контактных поверхностей. Напряжения, возникающие при прессовых посадках, могут привести к
усталостному разрушению соединяемых деталей, особенно при значительных эксплуатационных нагрузках.
Контакт сопрягаемых поверхностей не превышает 60%.
Кроме того, в случае жесткого механического соединения и соединения трением нельзя забывать о таком
явлении, как фреттинг-коррозия. Эти типы соединений восприимчивы к коррозионному износу,
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
возникающему в результате микроперемещений деталей относительно друг друга, что приводит к
преждевременному износу и снижению надежности соединения.
Устранить такие микроперемещения в соединениях можно, используя сварку, пайку или склеивание.
Сконструированные подобным образом соединения исключают возможность возникновения коррозионного
износа.
СВАРКА И ПАЙКА
Основными преимуществами этих методов соединений являются высокая прочность, тепло- и
электропроводность, устойчивость к коррозионному износу. Однако, имеется ряд ограничений для их
применения. Например, как правило, соединению сваркой и пайкой подлежат только однородные металлы,
при этом воздействие высоких температур может привести к ухудшению структуры материала, остаточным
напряжениям и деформированию деталей. Демонтаж при этом также может быть затруднен или, чаще
всего, невозможен.
СКЛЕИВАНИЕ
Существуют два различных типа склеивания цилиндрических деталей:
•
соединение деталей с зазором, при этом полимеризованный в зазоре клей передает все нагрузки.
•
соединение деталей с натягом – как с нагревом, так и без него; нагрузка передается как через
полимеризованный клей, так и трением между деталями благодаря натягу.
а)
б)
в)
Примеры использования анаэробногоклея:
а) при сборке подшипникового узла; б) при посадке втулки на вал; в) при посадке шкива на вал
В обоих случаях применяется жидкий клей, который полностью покрывает контактируемые поверхности
соединения, и, отверждаясь до состояния жесткой пластмассы, склеивает обе поверхности. В большинстве
случаев такие соединения выдерживают сдвиговые нагрузки величиной до 35 Н/мм.
К сожалению, клеевое соединение имеет ряд недостатков:
1. Температурный предел (230 °С)
2. Диаметральный зазор должен быть не более 0,4 мм (иначе снижается прочность соединения).
Преимущества склеивания деталей цилиндрической формы таковы:
•
возможность использования в качестве дополнения или полной замены механических типов
соединения.
•
устранение фреттинг-коррозии.
•
получение прочных и более жестких соединений.
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
•
устранение люфта в шпоночных и шлицевых соединениях.
•
снижение необходимости в дополнительных фиксирующих элементах.
•
уменьшение размеров соединения.
•
снижение требований к допускам.
•
возможность демонтажа склеенных деталей путем нагрева с целью ослабления прочности клея.
•
возможность соединения разнородных материалов при условии, что это металлы.
•
достижение равномерного распределения давления по всей площади склеивания и уменьшение
внутреннего напряжения в деталях.
•
снижение стоимости механической обработки.
•
возможность соединения как твердых, так и мягких поверхностей без их деформации.
•
получение полностью герметичного соединения, что предотвращает возникновение коррозии в
зазоре.
Возможные нагрузки: 1 – осевая; 2 – кручение; 3 – изгиб; 4 – радиальная
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
Уменьшение концентрации напряжений может быть достигнуто путем изменения
геометрии конструкции.
Фиксация деталей цилиндрической формы с помощью клея является несложным в технологическом
отношении процессом. И при правильном выборе конструкции соединения, клеевого продукта и метода
сборки соединение склеиванием в итоге обеспечивает значительные конструктивные и технологические
преимущества.
Склеивание позволяет упростить конструкцию, производство и процесс сборки деталей. Например, при
монтаже подшипников клей (в пределах допустимых ограничений) компенсирует отсутствие точного
центрирования деталей. Валы и подшипники, смонтированные без нагрузок и нарушения центрирования,
имеют более длительный срок эксплуатации и могут многократно использоваться после их демонтажа и
очистки. Клеевые соединения, в отличие от прессовых посадок, дают возможность использовать
тонкостенные конструкции сопрягаемых деталей.
Для оптимизации конструкции клеевой сборки очень важно учитывать нагрузки, действующие на
соединение: в большинстве случаев имеет место комбинированное воздействие осевой, крутящей,
радиальной и изгибающей нагрузок.
Изменение конфигурации для снижения пиковых нагрузок
Клеевое соединение должно быть выполнено таким образом, чтобы расслаивающая и отрывающая
нагрузка на клеевой шов были минимальны, а прочность на сжатие и на сдвиг оставались максимальными в
течение всего срока эксплуатации. Причем надо заметить, что даже относительно небольшие изменения в
конструкции деталей могут позволить добиться существенного увеличения предельной прочности.
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
На практике напряжения по всей длине соединения распределяются неравномерно. Они будут
концентрироваться на краю соединяемой поверхности, следовательно, увеличение длины соединения не
ведет к пропорциональному его усилению. Для равномерного распределения напряжений применяются
специальные конфигурации сопрягающихся поверхностей, когда выполняются соответствующие
требования по снижению пиковых напряжений.
КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Как уже отмечалось выше, клеи имеют несомненное преимущество перед стандартными методами сборки
цилиндрических деталей, позволяя передавать высокие нагрузки и избегать образования фреттинговой
коррозии. Клеи, используемые для монтажа шлицев или шпонок, способны заполнять все имеющиеся
пустоты в соединении, а затем, полимеризовавшись, устранять перемещения деталей относительно друг
друга, повышая при этом способность узла выдерживать длительные нагрузки. А способность клея
противостоять осевым нагрузкам позволяет в некоторых случаях отказаться от применения таких
элементов крепления, как запорные кольца, втулки, пальцы и т.д.
СКЛЕИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ С НАТЯГОМ
Прочность соединения по посадке с натягом без применения клея определяется следующей широко
распространенной формулой: "Прочность = Напряжение втулки x Коэффициент трения x Площадь
контакта"
Клеевое соединение вала и цапфы ролика,
которое экономит 1,5 часа времени на токарную обработку
Значения переменных зависят от следующих известных факторов:
•
напряжение в посаженной с натягом втулке зависит от величины натяга, модуля упругости
материалов и конструкции деталей; чем больше величина натяга, тем выше напряжение.
•
коэффициент трения зависит от типа материала, его обработки и состояния поверхности.
Что же касается площади контакта, то исследования показали: максимальный контакт между
соединяемыми металлическими поверхностями вала и втулки составляет 35 – 50% от площади
поверхности даже при соединении деталей по прессовой или горячей посадке. При применении клея
контактная площадь увеличивается до 100%, позволяя нагрузкам на сдвиг и на сжатие равномерно
распределяться по всей поверхности соединения.
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
Стальная оконечная муфта крепится с помощью клеящего состава Loxeal 85-21.
Подобное соединение не требует нарезки на втулке ни внутренней, ни внешней резьбы
Прочность бесклеевого соединения с натягом и прочность адгезии клея могут суммироваться, и – при
неизменном размере – соединение становится способным выдерживать более высокие нагрузки. При
использовании клеев для соединения деталей цилиндрической формы исходные конструкции могут быть
модернизированы (усилены), а новые – выпускаться более компактными, легкими и дешевыми.
Существует два метода сборки по посадкам с натягом с использованием клея.
1. Соединение по прессовой посадке
Клей наносится в виде пленки на одну или обе поверхности, затем детали соединяются. Очень важно в
момент сборки избегать стирания клея с поверхностей деталей или выдавливания его наружу.
2.Соединение деталей по прессовой посадке с нагревом
Детали имеют определенное напряжение при рабочих температурах, хотя во время монтажа
собираются с определенным зазором. Предпочтительной методикой для клеевых соединений по горячей
посадке является нанесение клея на внутреннюю деталь и нагрев внешней для получения необходимого
зазора. Технологии соединения деталей по горячей посадке дают оптимальную прочность соединения,
поскольку нагрев помогает достичь высокой скорости полимеризации, а усадка внешней детали
вызывает нагрузки сжатия на отверждающийся клей. В результате полученная общая прочность
соединения намного выше прочности клея на сдвиг и выше прочности при посадке с натягом без клея.
Альтернативный метод заключается в охлаждении внутренней детали и нанесении клея на внешнюю.
Обычно, вследствие образования конденсата (из-за охлаждения) на поверхности холодного компонента
применение этой технологии не рекомендуется, так как это может оказать отрицательное воздействие на
полимеризацию клея и, следовательно, на клеевую прочность сборки. В случаях получения очень большого
напряжения или небольших диаметров деталей, когда тепловое расширение небольшое, иногда
используется комбинация двух методов.
Loxeal 53-11 для посадки подшипников обладает средними прочностными характеристиками
и используется в узлах, требующих периодической разборки
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
ВЛИЯНИЕ НА КЛЕЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ РАЗЛИЧИЙ В ВЕЛИЧИНЕ ТЕПЛОВЫХ РАСШИРЕНИЙ
МАТЕРИАЛОВ
Во многих случаях в соединениях деталей цилиндрической формы используются материалы с различными
коэффициентами теплового расширения. В результате этого под воздействием рабочих температур
клеевой шов подвергается большим напряжениям на разрыв.
Расчет теплового расширения ведется по формуле
d = do(1+λDT),
где d – диаметр при нагреве, мм;
do – первоначальный диаметр, мм;
λ – коэффициент линейного теплового расширения,°C-1;
DT – разница температур, °C.
Для применения клеевого соединения деталей в условиях значительной разницы в температурных
расширениях могут использоваться три метода:
1. Соединение с натягом с клеем.
Этот метод может быть применен при условии, что в интервале всего диапазона рабочих температур в
соединении будет иметь место небольшое напряжение.
2. Соединение с большим зазором.
Относительно низкий модуль упругости и высокий коэффициент расширения клея при соединении
деталей цилиндрической формы позволяют исключить или понизить нагрузку на растяжение в
соединении путем создания оптимального для заполнения клеем зазора.
3. Клеевое соединение с нагревом
Если внешняя деталь имеет больший коэффициент теплового расширения, чем внутренняя, например,
при монтаже стального вала (или подшипника) в алюминиевый шкив (или корпус), применяется клеевая
сборка по горячей посадке с зазором (к примеру, величина зазора составляет 0,05 мм при диаметре 50,0
мм). Клей наносится на внутреннюю деталь, наружная – нагревается, а затем детали собираются
(обычно разница температур (DT) составляет 100 °C). При этом в статическом состоянии на клеевой шов
будут действовать напряжения сжатия. При различном температурном расширении внутренней и
наружной деталей в момент эксплуатации происходит увеличение клеевого зазора, и компрессионное
напряжение на клей ослабляется. Это позволяет исключить недопустимые нагрузки клея на растяжение.
КОНСТРУКТОРСКИЕ ПРИЕМЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Рекомендуется окончательная обработка склеиваемых поверхностей до уровня шероховатости от 0,8 до
3,2 микрон. Необходимо избегать очень гладких поверхностей, так как они уменьшают коэффициент
"сцепления" материалов.
Механическая обработка сопрягаемых поверхностей должна выполняться с "направленной
шероховатостью" в зависимости от направления нагрузок на соединение, т. е. профиль шероховатости
деталей должен иметь максимальную площадь в направлении, перпендикулярном усилию,
воздействующему на клеевое соединение.
Для минимизации расхода клея на поверхностях деталей в момент сборки желательно на торцевых краях
этих деталей выполнять фаски шириной 1,0 мм под углом от 15 до 35° к осевой линии детали.
При монтаже двух или более деталей на одном конце вала последняя посадочная поверхность
выполняется ступенчатой.
Конусные клеевые соединения целесообразно использовать в случае, когда необходимо обеспечить
точную концентричность, характерную для конусных соединений вообще, и высокую эффективность работы
клея на больших сопрягаемых поверхностях. При этом поверхности следует подвергнуть обдирочной
операции, например шабрению.
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
Области склейки с разной толщиной зазора могут быть использованы, когда требуется тонкий слой клея у
части склеиваемой поверхности, например, для соблюдения концентричности, и толстый слой для
компенсации теплового расширения.
Клеи для соединения деталей цилиндрической формы одновременно служат идеальным герметиком и
могутприменяться для герметизации сквозных отверстий в коробках передач, водяных рубашках и т.п. Это
позволяет сократить расходы по механической обработке деталей.
Склеиваемые поверхности должны быть очищены от жиров, масел, остатков смазочно-охлаждающей
жидкости, защитных покрытий и т.п. Обычно применяется обезжиривание с использованием растворителей
или моющих растворов на водной основе. При этом очиститель должен удалить с поверхности все
вещества, препятствующие процессу полимеризации клея. Особенно это касается остаточных нитритов,
моющих растворов на водной основе или охлаждающих жидкостей. Такие вещества невозможно удалить
растворителями, и для получения хорошего результата требуется промывка поверхностей чистой водой.
Травление, абразивная или пескоструйная обработка имеет позитивное воздействие на прочность сборки.
СБОРКА ДЕТАЛЕЙ. СКЛЕИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ С ЗАЗОРОМ
Для лучшего распределения продукта по клеевой поверхности при соединении детали необходимо слегка
провернуть друг относительно друга. При необходимости точного соблюдения центровки или соосности на
начальной стадии полимеризации клея применяется фиксация деталей. При этом позиционирование
деталей допускается только сразу после их соединения. В противном случае это может привести к
нарушению сформированной полимерной цепочки и снижению конечной прочности соединения.
Пример оптимизации конструкции клеевого соединения цилиндрических деталей
КЛЕЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ С НАТЯГОМ
Применение комбинации клеевого и прессового метода соединения деталей приводит к значительному
увеличению прочности соединения. Однако усилие монтажа также значительно увеличивается,
следовательно, давление должно соответственно корректироваться. Монтаж с высокими скоростями
перемещения собираемых деталей (около 1000 мм/мин) уменьшит усилие сборки от 30 до 40% по
сравнению со скоростью обычного процесса запрессовки.
КЛЕЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ С НАГРЕВОМ
При этом виде соединения внешняя деталь (втулка) должна подвергаться нагреву до температуры не
более 200 °C. Рекомендуемый зазор при сборке должен составлять 0,1% номинального диаметра (минимум
– 0,01 мм). Клей наносится сплошным слоем на поверхность ненагреваемой детали (обычно – вала).
Повышение температуры приводит к
ускорению полимеризации клея. Поэтому в данном случае необходимо произвести сборку без
последующего позиционирования – с первого раза.
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]
____________________________________________________________________________
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ КЛЕЯ
Здесь все зависит от конкретных свойств клея. Например, клеи, выпускаемые фирмой Loxeal для
склеивания деталей цилиндрической формы, отверждаются при комнатной температуре. Однако, каждый
тип таких продуктов имеет определенный скоростной фактор полимеризации. Практика показала, что при
отсутствии воздействия какой-либо нагрузки на клеевую сборку до достижения клеем окончательной
прочности дает наилучшие результаты.
ДЕМОНТАЖ И ПОВТОРНАЯ СБОРКА
При нагревании (максимум до 250 °C) прочность анаэробных клеев уменьшается, что дает возможность
производить демонтаж деталей при помощи обычных инструментов и приспособлений. При необходимости
в систематическом демонтаже склеенного соединения рекомендуется использовать анаэробные клеи с
соответствующими характеристиками прочности и/или температур. Перед повторной сборкой остатки
старого полимеризованного продукта необходимо удалить.
КЛЕИ ДЛЯ РЕМОНТА И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Изношенные части деталей могут быть эффективно отремонтированы с помощью анаэробных клеев.
Например, провернутый или выпавший из корпуса подшипник может быть зафиксирован в своем гнезде,
что позволит продлить срок службы изношенных корпусов, валов и пр. При больших зазорах в соединении
может потребоваться выравнивание и центрирование деталей; при чрезмерно больших зазорах, которые
невозможно заполнить клеем, фиксация деталей может быть произведена с использованием
промежуточных металлических втулок.
ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ
Если для прессовой посадки требуется шероховатость поверхности приблизительно до 0,25 мкм, то для
клеевого соединения достаточным значением является 5 – 10 мкм (Ra), что позволяет значительно
сократить расходы на механическую обработку. При шероховатости, превышающей 20 мкм (Ra),
существует опасность неполного покрытия клеем всей поверхности, что может привести к значительному
возрастанию влияния эффекта "зазубривания".
Пример использования клеевого соединения (схематический)
Материал вала и втулки – нержавеющая сталь. Для определения несущей способности соединения использован
анаэробный клей Loxeal 85-21.
Радиальный зазор – 0,15 мм.
Расход клея (с учетом 20% производственных потерь) – 0,7 мл.
Статическое осевое усилие выпресовки – 74,72 кН.
Динамическое осевое усилие выпресовки – 8,97 кН.
Статическая прочность на скручивание – 1120,73 Н/м.
Динамическая прочность на скручивание – 336,22 Н/м.
____________________________________________________________________________
ОOO "Химтрейд"
www.himtrade.com.ua
(057) 71-77-888
61072, г. Харьков,
(057) 759-03-01
пр. Ленина, 60, к. 225
[email protected]