第7章 机械设计-铆焊胶接过盈连接.ppt

单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授,2004,年,2,月,第二级,第三级,第四级,第五级,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,*,第,7,章铆接、焊接、胶接和过盈连接,7,1,铆接,7,2,焊接,7,3,胶接,7,4,过盈连接,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,7,1,铆接,一、概述,铆接,是,将铆钉穿过被连接件的预制孔中经铆合而成的连接方式。,其连接部分称为铆缝。,铆缝的结构分类：,分类,按接头型式分,双 排,按铆缝性能分,满足强度要求,满足强度和紧密性要求,满足紧密性要求的。,搭接缝,单盖板对接缝,双盖板对接缝,按铆钉排数分,单 排,多 排,强固铆缝,强密铆缝,紧密铆缝,潘存云教授研制,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,7,1,铆接,一、概述,铆接,是,将铆钉穿过被连接件的预制孔中经铆合而成的连接方式。,其连接部分称为铆缝。,铆缝的结构分类：,分类,按接头型式分,双 排,按铆缝性能分,满足强度要求,满足强度和紧密性要求,满足紧密性要求的。,搭接缝,单盖板对接缝,双盖板对接缝,按铆钉排数分,单 排,多 排,强固铆缝,强密铆缝,紧密铆缝,潘存云教授研制,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,铆钉有空心的和实心的两大类，且大部分都以标准化。,（,GB863.1,86,、,GB876,86,）。,二、铆钉的主要类型和标准,在设计铆接结构时应优先选用已标准化的铆钉。,铆钉头的结构：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,铆接后的结构：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,热铆接,直径,d,12mm,的钢制铆钉；,铆接工艺分冷铆和热铆：,冷铆接,直径,d,12mm,的钢制铆钉、塑性较好的有色金属及其合金制成的铆钉。,特点：,因此，在承受严重冲击和振动载荷的金属结构的连接中，如桥梁、建筑、造船、重型机械及飞机制造等工业部门中得到应用。,工艺过程比较容易控制，质量稳定,工艺设备简单,铆接结构抗振、耐冲击，连接牢固可靠,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、铆缝的受力与破坏形式,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,F,F,剪 断,压溃,板,边剪坏,拉断,撕裂,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,四、铆缝的设计要点,强度计算主要是材料力学的基本公式。,强度计算的假设前提：,连接的横向力,F,通过铆钉组形心，一组铆钉中,各个铆钉受力均等,设计铆缝时，先根据铆缝的破坏形式进行强度计算。,铆缝不受弯矩作用,被铆件接合面摩擦力略去不计,被铆件危险剖面上的拉,(,压,),应力，铆钉的切应力，,工作挤压应力都是均匀分布的,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,单排搭接铆缝的静强度分析：,取图中宽度等于垂直于受载方向的钉距,t,的,阴影部分,进行计算。,（,1,）,由被铆件的拉伸强度确定的铆缝承受的静载荷：,（,2,）,由被铆件上孔壁的挤压强度确定的被铆件能承受的静载荷：,（,3,）,由铆钉的剪切强度确定的铆钉能承受的静载荷：,潘存云教授研制,d,潘存云教授研制,t,e,设：,e,边,距；,t,节距,；,板厚；,d,铆,钉直径；,F,阴,影部分载荷。,(,t-d,),为板的截面积,d,为挤压面积,d,2,/4,为铆钉截面积,F,F,F,F,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,组成强固铆缝各元件的静载荷许用应力,许用应力,/,MPa,说 明,元件材料,Q235,Q255,被铆件许用拉应力,200 210,被铆件许用挤应力,p,400 420,采用冲孔或各被铆件分开钻而不用样板时，,、,p,降低,20%,；角钢单边铆接时，各许用应力降低,25%,。,被铆件许用切应力,180 180,Q215,对于一般的强固铆缝，上述式中的许用应力可根据组成铆缝各元件的材料选取。,式中：,许用拉应力,;,p,许用挤压应力；,许用剪切应力,。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,工件,2,焊接是利用局部加热,(,或加压,),的方法使被连接件接头处的材料熔融连接成一体。,一、概述,与铆接相比较，焊接结构重量轻，节约金属材料，施工方便，生产率高，易实现自动化，且焊接结构的成本低，应用很广。,在机械制造中,最常用的是电弧焊,。电弧焊是利用焊条与焊件间产生电弧热将金属加热并熔化的焊接方法。,分类：,熔化焊,压力焊,钎焊,电弧焊、气焊、电渣焊。,电阻焊、摩擦焊、爆炸焊。,锡焊、铜焊。,7,2,焊接,接焊接发电机,工件,1,焊枪、焊条,搭铁,利用电焊机的低压电流，通过电焊条与被焊件之间形成的电路，在两极间引起电弧，融化被焊部分的金属和焊条，使熔融的金属混合并填充接缝面而形成焊缝。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,二、电弧焊缝的基本形式,焊缝,焊接件经焊接后形成的结合部分。,工件,2,工件,1,电弧焊常见的焊缝形式,：,角焊缝,两被焊件不在同一平面内；,对接焊缝,两被焊件在同一平面内；,潘存云教授研制,正接角焊缝,潘存云教授研制,搭接角焊缝,榫头式,潘存云教授研制,单面式,双面式,V,型焊缝,封底焊缝,对接角焊缝,潘存云教授研制,潘存云教授研制,卷边焊缝,塞焊缝,焊缝,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,在机械制造中，最常用的被焊件材料是低碳钢和低合金钢,(,如,Q215,、,Q235,、,15,、,20,、,16Mn,等,),。焊条的材料最好与被焊件的材料相同。,三、焊接件常用材料,四、焊缝的受力及破坏形式,1,对接焊缝,对接焊缝主要用来承受作用于被焊件所在平面内的拉（压）力或弯矩，,对接焊缝的破坏形式,是沿焊缝断裂；,F,F,l,l,潘存云教授研制,l,F,F,潘存云教授研制,潘存云教授研制,l,F,F,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,2,搭接角焊缝,按,受力方向分为,:,正面角焊缝,侧面角焊缝,混合角焊缝,受力方向与焊缝垂直；,正面角焊缝通常只用来承受拉力,;,受力方向与焊缝平行；,受力与焊缝成一角度；,侧面角焊缝和混合角焊缝可用来承受拉力或弯矩。,实践证明，在静载荷作用下，,搭接角焊缝的破裂,通常从沿着与垂直平分线重合的最小剖面上开始。,k,u,4,潘存云教授研制,l,A,A,A,A,F,F,B,B,潘存云教授研制,h,F,F,正面角焊缝,侧面角焊缝,M,M,潘存云教授研制,h,L,k,k,A,A,B,B,k,k,B,B,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,1,焊缝应按被焊件厚度制成相应,坡口,，或进行一般的,侧棱、修边工艺。在焊接前，应对坡口进行清洗整,理；,五、焊接件的工艺及设计注意要点,潘存云教授研制,015,5,540,70,70,潘存云教授研制,2050,2050,潘存云教授研制,50,坡口型式及适用的焊件厚度,:,3545,24,23,1240,24,23,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,2,在满足强度条件下，焊缝的长度应按实际结构的情,况尽可能地取得短些或分段进行焊接，并应避 免,焊缝交叉；,3,在焊接工艺上采取措施，使构件在冷却时能有微,小自由移动的可能；,4,焊缝在焊后应经热处理（如退火），消除残余应力；,5,在焊接厚度不同的对接板件时，应使对接部位厚度,一致，以利于焊缝金属均匀熔化；,6,设计焊接件时，注意恰当选择母体材料和焊条；,7,合理布置焊缝及长度；,8,对于那些有强度要求的重要焊缝，必须按照有关行,业的强度规范进行焊缝尺寸校核，明确工艺要求和,技术条件，并在焊后仔细进行质量检验。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,六、焊接在机器零件中的应用,由于焊接具有强度高、工艺简单、因连接而增加的质量小等特点，焊接技术的应用日益广泛。,在技术革新、单件生产、新产品试制等情况下，采用焊接制造箱体、机架等，一般比较经济。,随着焊接技术的发展，许多零件已改变了它们的传统制造方法。一向是铸造出的机座、机壳、大齿轮等零件，已有很大一部分改用了焊接。,焊接齿轮,潘存云教授研制,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,胶接用于木材由来已久。随着新型胶粘剂的发展，胶接在金属构件的连接中也日渐增多。,一、概述,胶接是用胶粘剂直接把被连接件连接在一起且具有一定强度且不可拆卸的连接，利用胶粘剂凝固后出现的粘附力来传递载荷。,7,3,胶 接,应用实例：,胶接组合蜗轮,潘存云教授研制,潘存云教授研制,螺纹接套与管件胶接,蜂窝结构填料,潘存云教授研制,蒙皮与型材胶接,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,胶粘剂的品种繁多，通常按其使用目的分为三类：,二、胶粘剂,结构胶粘剂,在机械制造中常用的结构胶粘剂有如下两种：,环氧树脂胶粘剂；,酚醛树脂胶粘剂。,种类,（,1,）结构胶粘剂,在常温下的抗剪强度一般不低于,80MPa,，,能经受一般高、低温或化学作用，而不降低其性能，胶接件能承受较大的载荷。,非结构胶粘剂,其它胶粘剂,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,（,2,）非结构胶粘剂,常用的品种有：,聚胺脂胶粘剂；,酚醛,-,氯丁橡胶胶粘剂,。,(,),其它胶粘剂,具有特殊用途的胶粘剂，例如：,防锈、绝缘、导电、透明、超高温、超低温、耐酸碱等。,品种有：,环氧导电胶粘剂；,环氧超低温胶粘剂,。,正常使用时有一定的胶结强度，但在受到高温或重载时，性能迅速下降。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、胶接接头的结构形式,与焊接相同，胶接接头分为对接、搭接和角接头三种。,主要性能：,胶接强度,耐热性、耐介质性、耐老化性等；,固化条件,温度、压力、保持时间等。,选用原则：,根据胶接件的,使用要求,及,环境条件,等选择综合性能良好的胶粘剂。,影响粘接剂性能的因素：,胶接件的材料、环境温度、胶层厚度、工作时间、工艺水平等。,胶接工件材料有：各种碳钢、合金钢、铝、镁、钛等合金、玻璃、陶瓷等。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,圆柱形接头,板件接头,锥形及盲孔接头,角接头,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,剪切,四、胶接接头的受力状况,实践表明，胶接接头的抗剪切及抗拉伸能力强，抗剥离和扯离能力弱。设计接头时应尽可能使接头承受剪切或拉伸载荷。,拉伸,剥离,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,F,F,潘存云教授研制,F,F,扯离,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,（,4,）清除表面多余的胶粘剂；,五、,胶接的基本工艺过程,（,1,）清除胶接件表面的油污或氧化层；,方法有机械或化学处理,（,2,）按配方比例配制胶粘剂；,大多数胶都是多祖分的,（,3,）采用适当方法涂胶（如喷涂、刷涂等），保证厚,薄合适、均匀无缺、无气泡；,（,6,）质量检验，常用方法有：,（,5,）按一定条件进行固化；,要综合考虑使用要求、接头形式、接头面积、温度、压力、时间等因素。,超声波探伤,放射同位素摄影,激光全息摄影,X,光探伤,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,胶接件的缺陷有时不易发现,有良好的密封性、绝缘性和防腐性,六、,胶接的特点,与铆接、焊接相比，胶接的主要优点,主要缺点：,连接件的材料范围宽广,连接后的重量轻，材料的利用率高,成本低,在全部胶接面上应力集中小，故耐疲劳性能好,抗剥离、抗弯曲及抗冲击振动性能差,耐老化及耐介质,(,如酸、碱等,),性能差,胶粘剂对温度变化敏感，影响胶接强度,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,从结构上采取防止剥离的措施,七、,胶接接头的设计要点,针对工作要求正确选择粘结剂,合理选择接头形式,恰当选择工艺参数,充分利用胶缝的承载特性，尽可能使胶缝承受剪,切和拉伸载荷，而避免承受扯离，特别是剥离载,荷，不宜采用胶接接头,减少胶缝处的应力集中，如板材端部切成斜角,当有较大冲击、振动时，应在胶接面之间增加玻,璃布层等缓冲材料,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、,过盈连接的特点及应用,作用：,过盈连接,是利用被联件间的过盈配合直接把被,连接件连接在一起。,优点：,构造简单、定心性好、承载能力高，在振动下,能可靠地工作。,缺点：,装配困难和对配合尺寸的精度要求较高。,应用：,主要用于轮圈与轮芯、轴与毂、滚动轴承的装,配连接。,7,4,过盈连接,潘存云教授研制,A,A,A,-,A,曲轴过盈连接组件,d,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,装配方法：,二、,过盈连接的工作原理及装配方法,工作原理：,孔与轴配合中，轴的实际尺寸大于孔，两者装配后产生径向变形使配合面间产生了很大的压力，工作时载荷就靠着相伴而生的摩擦力来传递。,压入法,温差法,当配合面为圆柱面时，当其他条件相同时，用温差法能获得较高的摩擦力或力矩，因为它不像压入法那样会擦伤配合表面。,冷却被包容件,加热包容件,潘存云教授研制,轴的尺寸减去孔的尺寸称为过盈量。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,三、,圆柱面过盈连接,设计这种过盈连接时，被连接件的材料、构造和尺寸一般都已初步确定，连接的载荷也已求得。因此，设计的主要问题是：,选择具有所需要的承载能力的配合；,安排合理的结构；,确定对零件配合表面的工艺要求；,决定装配方法和提出装配要求等。,过盈连接的承载能力取决于连接的摩擦力或力矩和连接中各零件的强度。选择配合时，既要使连接具有足够的固持力以保证在载荷作用下不发生相对滑动，又要注意到零件在装配应力下不致损坏。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,四、,圆锥面过盈连接,圆锥面过盈连接在机床主轴的轴端上应用很普遍。装配时，借助转动端螺母并通过压板施力使轮毂作微量轴向移动以实现过盈连接。这种连接定心性好，便于装拆，压紧程度也易于调整。,采用这种连接，配合表面不宜擦伤，能传递更大的载荷，尤其是适用于大型被连接件，但对配合面的接触精度要求较高。,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,F,p,五、,过盈连接的设计,计算,过盈连接的,主要用来承受轴向力、传递扭矩、或者同时承受这两种载荷。为了保证过盈连接的工作能力，须作以下两方面的分析计算：,(2),若选定了标准的过盈配合，校核连接件在最大过,盈量时的强度。,(1),已知载荷时，配合面需要多大的径向压力？以及产,生这个压力需要多大的过盈量？,1.,配合面所需压力的计算,(1),传递轴向载荷时,要求连接件在轴向载荷,F,的作用下，不产生轴向滑移。,p,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,l,d,F,正常工作条件：,(2),传递扭矩时,摩擦力：,F,f,=,dlpf,轴向摩擦阻力,外载荷,其中：,p,径,向压力；,p,F/,dlpf,d,配,合面公称直径；,l,配,合面长度；,f,摩,擦系数。,详见教材表,7-5,d,p,p,M,f,T,要求连接件在扭矩,T,的作用下，不产生周向滑移。即：,M,f,T,摩擦力矩：,M,f,=,lpfd,/2,p,2T/,d,2,lpf,d,1,d,2,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,(3),同时承受轴向载荷与扭矩时,要求连接件沿轴向和周向都不能产生滑移。,径向压力,p,应满足：,2.,最小有效过盈量,min,的计算,由材料力学的有关知识可知，在压力为,p,时最小过盈量为：,C,1,被包容件的刚性系数,:,其中：,E,1,、,E,2,被包容件和包容件材料的弹性系数,；,C,2,包容件的刚性系数,:,潘存云教授研制,d,d,1,d,2,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,1,2,分别为,被包容件和包容件的泊松比；,当采用温差法装配时，最小有效过盈量,R,z1,、,R,z1,分别为,被包容件和包容件配合表面上微观不平度的十点高度，单位为,:,m,。,当采用压入法装配时，考虑配合表面的微观峰尖将被擦去或压平一部分，这时最小过盈量为,根据计算得到的,最小有效过盈量,min,选择一个标准的,盈量,配合代号。,应注意尽量选择优先配合代号,。,最小过盈：,min,=,孔,max,-,轴,min,孔公差带,轴公差带,max,min,最大过盈,:,max,=,孔,min,-,轴,max,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,基孔制常用与优先配合的选用,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,基轴制常用与优先配合的选用,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,3.,过盈连接的最大压入力、压出力,当选用压入法进行装配时，应按照以下公式计算最大压入力和压出力,最大压入力,F,i,=f,d l,p,max,最大压入力,F,o,=,(1.31.5),F,i,=,(1.31.5),f,d l,p,max,最大压力,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,4.,包容件加热及被包容件冷却温度,当选用温差法进行装配时，应按照以下公式计算两配合件的温度,包容件加热温度,被包容件冷却温度,其中：,0,避免配合表面互相擦伤所需要最小间隙；,1,、,2,包容件及包容件材料的膨胀系数；,t,0,环境温度,。,中国地质大学专用 作者：潘存云教授,