Детали мехатронных модулей и роботов

Различают затяжку контролируемую и неконтролируемую. Контролируемая затяжка осуществляется с помощью специальных динамометрических ключей и ключей предельного момента, дающих возможность затянуть соединение заданной силой (и не большей). Существуют также и другие средства и методы контроля затяжки, к которым следует прибегать там, где это оговорено техническими требованиями. Судя по величинам запасов прочности (табл. 1.3), контролируемая затяжка позволяет существенно повысить надежность соединений.

1.5.Заклепочные соединения

1.5.1.Разновидности заклепочных соединений

Заклепочное соединение образуется расклепыванием стержня заклепки, вставленной в отверстия деталей (рис. 1.8). Обжимка 1 формирует замыкающую головку 2 заклепки 3, причем вследствие пластических деформаций стержень заклепки заполняет зазор в отверстиях. Поддержка 4 фиксирует закладную головку 5 заклепки.

1

2

3

5

4

Рис. 1.8. Заклепочное соединение

Силы, вызванные упругими деформациями деталей и стержня заклепки, стягивают детали. Сдвигу деталей препятствует сопротивление стержня заклепки и частично силы трения между деталями.

21

			Таблица 1.3
Запасы прочности при неконтролируемой затяжке
Материал болта	Запас прочности [s] для резьбы
	М6…М16	М16…М30	М30…М60
Углеродистая сталь	5…4	4…2,5	2,5…1,5
Легированная сталь	6,5…5	5…3,3	3,3

Отверстия в деталях сверлят или продавливают. Сверление менее производительно, но придает соединению повышенную прочность. В ответственных соединениях предусматривается обязательное совместное сверление отверстий в деталях, что дополнительно повышает надежность соединения.

Клепку можно производить вручную и машинным способом (пневматическими молотками, прессами и т. п.).

Стальные заклепки диаметром до 10 мм и заклепки из цветных металлов ставят без нагрева, поэтому процесс расклепывания называют холодной клепкой. Стальные заклепки большого диаметра ставят с нагревом. Нагрев повышает пластичность заклепки, облегчает расклепывание, улучшает заполнение отверстия и повышает натяг в соединении, связанный с температурными деформациями при остывании. В этом случае образование соединения называют горячей клепкой.

Применяются заклепки с полукруглой головкой (такая заклепка показана на рис. 1.8), с потайной и полупотайной головками. Кроме того, существуют различные типы специальных заклепок: пустотелые и полупустотелые, заклепки для односторонней клепки и т. д. Геометрическая форма и размеры заклепок нормальной точности оговариваются ГОСТ 10299, ГОСТ 10300, заклепок повышенной точности – ГОСТ 14787, ГОСТ 14798, ГОСТ 14801.

Листовые детали соединяются заклепочными швами. В зависимости от назначения различают швы прочные, плотные и прочноплотные. Прочные швы применяют в металлоконструкциях, плотные – в резервуарах для хранения жидкостей и газов с невысоким давлением, прочноплотные – в резервуарах для хранения жидкостей и газов с высоким давлением. Плотность шва достигается постановкой заклепок с шагом, не большим некоторого строго определенного значения.

По конструктивному признаку различают швы однорядные и многорядные, соединения внахлестку и встык, односрезные и многосрезные. Пример двухсрезного соединения внахлестку приведен на рис. 1.9.

22

τср σсм

1

F/2

2

δ1 F

δ2

d

F/2

1

Рис. 1.9. Двухсрезное заклепочное соединение внахлестку

Применение заклепочного соединения целесообразно в тех случаях, когда материалы деталей плохо соединяются сваркой, а также в тех конструкциях, где важно растянуть во времени процесс разрушения.

К недостаткам соединения относятся трудоемкость выполнения длинных заклепочных швов, вредность работы клепальщика, существенное ослабление соединяемых деталей отверстиями под заклепки.

1.5.2. Расчет заклепочного соединения на прочность

На основные размеры заклепочных соединений выработаны нормы, по которым выбирают диаметры отверстия и заклепки, шаг шва и расстояние от шва до края деталей, а также толщину деталей. Расчет заклепки обычно носит проверочный характер.

Рассмотрим соединение, нагруженное силами, сдвигающими детали в стыке (рис. 1.9). Его расчет аналогичен приведенному выше расчету резьбового соединения болтом, поставленным в отверстия без зазора, поэтому дополнительных пояснений не требует.

Условие прочности заклепки по напряжениям среза выражается формулой

τ =	4F	≤[τ		],	(1.26)
			ср
	πd 2i

23

условия прочности по напряжениям смятия:

σсм1 =		F			≤[σсм ],	(1.27)
	2d δ
			1
σсм2 =		F			≤[σсм ].	(1.28)
		d δ	2

Допускаемые напряжения для заклепки из стали Ст3 принимают такими: [τср] =140 (100) МПа; [σсм] = 320 (280) МПа. Первые числа – для отверстий, полученных сверлением, значения в скобках – для отверстий, полученных продавливанием.

Материал заклепки должен отвечать следующим требованиям:

–обладать пластичностью;

–не принимать закалки при горячей клепке;

–не образовывать с материалом деталей гальванической пары.

1.6.Сварные соединения

1.6.1.Виды сварки

Из всего многообразия применяемых в настоящее время в производстве видов сварки при изготовлении ММ и роботов преимущественно используются электродуговая и контактная.

В электродуговой сварке образование соединения основано на заполнении стыка между деталями металлом электрода, расплавленного электрической дугой. Данный способ требует качественного прогрева кромок деталей и предотвращения доступа в зону сварки кислорода

иазота воздуха. Последнее обеспечивается специальным покрытием электрода, которое, разлагаясь под действием температуры дуги, выделяет большое количество газа, инертного по отношению к металлу.

Различают ручную и автоматическую электродуговую сварку. Шов, выполненный сварочным автоматом, имеет более высокое качество, а следовательно, и большую статическую и усталостную прочность. К сожалению, выполнить соединение автоматически далеко не всегда возможно.

Контактная сварка является высокопроизводительным методом

иприменяется для соединения листовых деталей толщиной до 4 мм. Она основана на использовании повышенного электрического сопротивления зоны контакта деталей. Различают точечную, шовную и стыковую контактную сварку.

24

Сущность контактной сварки удобно пояснить на примере ее точечной разновидности (рис. 1.10).

Cварная точка

Рис. 1.10. Схема контактной точечной сварки

Детали сжимаются электродами. Ток течет между электродами, при этом теплота в основном выделяется на поверхности контакта деталей; металл плавится, и образуется сварная точка.

Шовная сварка выполняется аналогично, но в качестве электродов применяют диски, которые перекатываются по деталям в направлении шва. Появляется возможность провести герметичный шов.

Стыковая контактная сварка применяется для соединения встык деталей типа стержней со сравнительно небольшой площадью поперечного сечения.

Достоинства сварного соединения следующие:

–высокая производительность и сравнительно невысокая трудоемкость сварки;

–простота обеспечения равнопрочности изделия, снижение его массы и стоимости.

Недостатки:

–необходимость правильного выбора материалов деталей;

–наличие в шве дефектов (неоднородностей, микротрещин и т. п.), и, как следствие, снижение прочности соединения.

Лучше всего свариваются детали из низкоуглеродистых сталей, например, из стали Ст3. Стали углеродистые и легированные требуют для сварки применения специальных приемов: предварительного прогрева деталей, подачи инертного газа в зону сварки и т. д.

25

1.6.2. Соединения ручной электродуговой сваркой

Ручная электродуговая сварка представляет собой наиболее универсальный способ образования соединений, поэтому именно она и будет рассмотрена подробно.

Элементы сварных швов, получаемых ручной электродуговой сваркой, указаны в ГОСТ 5264. Стандарт устанавливает четыре типа соединений в зависимости от взаимного расположения соединяемых деталей: стыковое, нахлесточное, тавровое и угловое.

Стыковое соединение (рис. 1.11) простое и зачастую наиболее надежное. При толщине деталей s ≤ 6 мм их можно соединять без разделки кромок (соединение С2). В случае s > 6 мм расплавленный металл электрода не может заполнить зазор между деталями, получается некачественный шов пониженной прочности. Поэтому при толщинах больших 6 мм применяют подварку с другой стороны, одностороннюю и двухстороннюю разделку кромок деталей (например, соединения С5 и С21).

Нахлесточное соединение (рис. 1.12) возникло как аналог заклепочного соединения внахлестку. Из всех сварных соединений оно наиболее простое, не требует подготовки кромок независимо от толщины деталей. Возможны одностороннее (Н1) и двухстороннее (Н2) нахлесточные соединения.

С2	smax = 6
F	F
С5	smax = 26

С21			smax = 60

Н1
Н2	s

	s
Рис. 1.11. Стыковое сварное	Рис. 1.12. Нахлесточное
соединение	сварное соединение

26

Тавровое соединение показано на рис. 1.13 и, подобно нахлесточному, может быть односторонним и двухсторонним. Кроме того, при бóльших s оно выполняется с разделкой кромок пристыковываемой детали.

Угловое соединение (рис. 1.14) часто применяется при изготовлении различного рода металлических емкостей – корпусов, коробов и т. п.

Различают два вида швов: стыковой шов – для образования стыковых соединений; угловой шов – для всех остальных соединений.

В обозначение типа электрода для ручной электродуговой сварки по ГОСТ 9467 входит буква «Э» и число, равное пределу прочности металла электрода, выраженному в кгс/мм2, например, Э42, Э50А. Буква «А» в обозначении показывает, что химический состав электрода подвергается дополнительному контролю. Такие электроды применяются в ответственных соединениях для повышения надежности конструкции.

Т1

У3

smax = 6

Т9	smax = 60
	У4

Рис. 1.13. Тавровое сварное	Рис. 1.14. Угловое
соединение	сварное соединение

27

Стандарт устанавливает ряд диаметров электродов в миллиметрах: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12... Для ручной сварки используют электроды небольших диаметров, как правило, до 6–8 мм, так как при этом достигается наивысшее качество шва в сочетании с невысокой трудоемкостью сварки.

1.6.3. Расчет сварных соединений на прочность

Расчет стыкового шва производится следующим образом. Напряжение в шве от растягивающей нагрузки (см. рис. 1.11) оп-

ределяют по формуле

σ =

F

≤[σ'] =(0,9...1,0)[σ ],

(1.29)

bs	p

где b – длина шва; [σ′] – допускаемое напряжение для материала шва; [σр] – допускаемое напряжение растяжения для материала деталей.

Предполагается, что стыковой шов практически равнопрочен с соединяемыми деталями. В (1.29) коэффициент 0,9 принимают при электродах Э42, Э50, а коэффициент 1,0 – при электродах Э42А, Э50А.

Напряженное состояние углового шва в нахлесточном и тавровом соединениях существенно отличается от напряженного состояния стыкового шва даже при простейшем нагружении растягивающими силами. В материале шва возникают как нормальные, так

икасательные напряжения. Инженерный расчет производится упрощенно по касательным напряжениям. По форме швы разделяют на нормальные – в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, выпуклые и вогнутые. Вогнутые швы лучше сопротивляются переменной нагрузке, но выполнение их связано с дополнительной механической обработкой, а следовательно, и с дополнительными затратами. В дальнейшем рассматриваются нормальные швы как самые распространенные в практике.

На рис. 1.15 показано нахлесточное соединение нормальным угловым швом с длиной L и катетом K. Разрушение такого шва происходит по биссектрисе АВ прямого угла, что предсказано теорией

иподтверждено практикой.

Площадь опасного сечения шва

Ао.с = АВ ·L ≈ 0,7KL.					(1.30)
Условие прочности шва
τ =	F	=	F	≤[τ'].	(1.31)
	Ao.c		0,7KL

28

L

F

F

K	B
	A
	K

Рис. 1.15. Геометрия углового шва

Допускаемое касательное напряжение для сварных швов, выполненных электродами Э42, Э50, принимают равным [τ'] = 0,6[σр], а для швов, выполненных электродами Э42А, Э50А – равным [τ'] = 0,65[σр].

По расположению относительно направления нагрузки различают швы фланговые (параллельные нагрузке), лобовые (перпендикулярные нагрузке) и косые. Напряжения в лобовом и фланговом швах различаются (при прочих равных условиях), но в инженерных расчетах касательные напряжения с достаточной степенью точности определяются по одним и тем же формулам.

Соединение двумя фланговыми и одним лобовым швами приведено на рис. 1.16. Для этого случая формула (1.31) принимает следующий вид:

τ =	F		≤[τ'],	(1.32)
	0,7K (2Lф
		+ Lл )

Lф

Lл

F F

Рис. 1.16. Вариант нахлесточного соединения двумя фланговыми и одним лобовым швами

29

где Lф, Lл – длины флангового и лобового швов.

Соединения, показанные на рис. 1.17, нагруженные парой сил с моментом Т, рассчитываются по следующим формулам: соединение на рис. 1,17, а

	τ =	T		≤[τ'];		(1.33)
на рис. 1.17, б		0,7KLb
	τ =	6T	2	≤[τ'];		(1.34)
на рис. 1.17, в		0,7Kb
	τ =	T			b2 ≤[τ'].	(1.35)
	0,7KLb +0,7K				6
а	б					в
b		b				b
	T				T	T
L						L

L < b

1.17.Соединения, нагруженные парой сил с моментом Т

Втех случаях когда соединение находится одновременно под действием различных нагрузок (поперечная и продольная силы, крутящий момент и т. п.), расчет ведут, исходя из принципа независимости действия сил.

1.7. Соединения с натягом

Соединения типа «вал – ступица» с натягом (фрикционные) в ММ и роботах используются значительно чаще, чем в механизмах

30