Projekt: Téma: Moderní spojovací metody Obor: Ročník: 1. Obráběč kovů, Nástrojař Zpracoval(a): Pavel Rožek Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010 1
Obsah Obsah... 2 1. Spoje a spojování strojních součástí... 3 2. Druhy mechanických spojení...3 2.1 Tvarové spoje... 4 2.2 Silové spoje... 4 2.3 Předepjaté tvarové spoje... 5 2.4 Pevné a pohyblivé mechanické spoje... 5 3. Lisované a západkové spoje... 6 3.1 Lisované spoje... 6 3.1.1 Spoje nalisované za studena... 6 3.1.2 Spoje lisované příčným smrštěním... 6 3.1.3 Spoje lisované příčným roztažením (sestavené při podchlazení vnitřního dílu)... 7 3.1.4 Spoje lisované a uvolňované hydraulicky... 7 3.2 Západkové spoje... 8 4. Lepení... 9 4.1 Soudržnost lepených spojů... 9 5. Pájení... 10 5.1 Příklad vytvoření pájeného spoje... 11 6. Svařování... 12 6.1 Vzájemná poloha svařovaných dílů a tvar svaru... 12 6.2 Svařování s hrotovým zážehem... 12 7. Nýty, nýtování... 14 7.1 Druhy nýtů... 14 7.2 Základní nýtové spoje... 14 7.3 Závady nýtového spoje... 15 Použitá literatura... 16 2
1. Spoje a spojování strojních součástí Stroje, zařízení a přístroje se zpravidla skládají z mnoha dílů. Při výrobě nebo při montáži jsou jednotlivé díly vzájemně spojovány tak, aby jako celek plnily požadované funkce. Spojením dílů z téhož materiálu, např. svářením částí konstrukce, vznikne někdy jediný díl a původní části pak nejsou označovány jako díly. Mezi díly se přes spoje mohou přenášet síly nebo točivé momenty. Sestavování soudržného celku ze součástí (dílů) se nazývá spojování. Zajištění vzájemné polohy součástí se označuje jako spojení nebo spoj. Spoj vytváří nebo posiluje soudržnost součástí. 2. Druhy mechanických spojení Podle způsobu přenosu sil rozlišujeme tvarové spoje (síla se přenáší tlakem ploch dílů), silové spoje (síla se mezi díly přenáší třením), předepjaté tvarové spoje (kombinace tlaku a tření) a látkové spoje, tzv. spoje s materiálovým stykem, kde se síly přenášejí přitažlivostí mezi molekulami nebo atomy. Obr. 1 : 3
2.1 Tvarové spoje Tvarový spoj je založen na takovém tvarování dílů, že do sebe tvarově zapadají a stýkají se co největší možnou, resp. pro funkci spoje dostatečnou plochou. V případě přenosu točivého momentu perem na hřídeli se přenášejí síly mezi plochami drážek a plochami pera. Obr. 2 : Tvarové spoje mohou být vytvořeny: - těsnými pery, - drážkovými hřídeli a náboji, - lícovanými šrouby, - kolíky, - čepy, - nýty. 2.2 Silové spoje Silový spoj, nebo též spojení třením, přenáší síly rovnoběžné se styčnými plochami. Tření (třecí síla) závisí na přítlačné síle a koeficientu tření, který je velký u drsných ploch. Koeficient tření závisí na: - vlastnostech jednotlivých povrchů, - vzájemném chování (párování) povrchů, - mazání třecích ploch, - druhu tření. Při stejné přítlačné síle se přenese třením hrubých povrchů dílů větší síla, než při hladkém povrchu dílů. Mezi namazanými díly působí menší tření než mezi suchými (nenamazanými) díly. Tření je také odlišné při klidu a při vzájemném pohybu. Třecí síla působí proti smykové síle, resp. proti směru smykového pohybu. K silovým spojům patří: - šroubové spoje, - svěrné spoje, - kuželové spoje, - spoje třecí spojkou. 4
2.3 Předepjaté tvarové spoje Při přenosu momentu tvarovým předpjatým spojem se při narůstání momentu z nulové hodnoty uplatňují nejprve třecí síly. Vsunutý klín napíná materiál hřídele i dílu obepínajícího hřídele (náboje) tlakem v místě klínu a v místě protilehlého styku hřídele s nábojem. Po překročení třecí síly se moment přenáší převážně tlakovými silami doplňujícími dvojici sil vytvářející moment s osou hřídele. K tvarovým třecím spojům patří: - klínové spoje, - spoje s čelním ozubením, - kuželové spoje s úsečovými pery. Obr. 3 : 2.4 Pevné a pohyblivé mechanické spoje Spojení dvou dílů může znemožňovat nebo jen částečně omezovat vzájemný pohyb. Obr. 4 : Pevně spojené díly se chovají jako jediné těleso. Pohyblivý spoj umožňuje vzájemný pohyb s určitým počtem stupňů volnosti v mezích. Pevné i pohyblivé spoje mohou být rozebíratelné i nerozebíratelné. Sestava dílů spojených rozebíratelnými spoji může být rozebíratelná i nerozebíratelná. Sestava dílů spojených rozebíratelnými spoji může být rozmontována na jednotlivé díly bez jejich poškození. Obr. 5 : 5
Při oddělení nerozebíratelně spojených dílů dochází k destrukci dílů, spojovacího prvku nebo materiálu. Rozebíratelnost je chápána jako mechanická, takže opakované pájení a odpájení součástek není chápáno jako montáž a demontáž rozebíratelných spojů. Ke spojům s materiálovým stykem patří: - sváry, - pájené spoje, - lepené spoje. 3. Lisované a západkové spoje 3.1 Lisované spoje Lisovaný spoj vznikne slisováním dílů lícovaných s přesahem. Vzájemný tlak elasticky stlačených dílů způsobuje tak velké vzájemné tření, že spoj může přenášet velké síly bez doplňujících spojovacích dílů. Lisované spoje přenášejí síly a točivé momenty třením. 3.1.1 Spoje nalisované za studena Slisování dílů lícovaných s přesahem se provádí pomocí lisu. Vnitřní díl musí mít kvůli zavedení náběh délky 2-5 mm vytvořený kuželovým zkosením s úhlem do 5 stupňů. Bez tohoto náběhu by došlo k poškození okraje i vnitřního povrchu díry. Naolejování povrchů zabrání zadření dílů a poškození povrchu. Obr. 6 : 3.1.2 Spoje lisované příčným smrštěním Do ohřátého a teplem roztaženého vnějšího dílu se zasune nebo zalisuje neohřátý díl (lícovaný s přesahem). Po ochlazení a smrštění vnějšího dílu má spoj požadované vlastnosti lisovaného spoje. Při využití smrštění vnějšího dílu se montáž lisovaného spojení dílů s přesahem označuje jako nalisování za tepla. K ohřevu vnějšího dílu se používá například indukční ohřev, olejová lázeň nebo plynový hořák. 6
Obr. 7 : Pravidla pro nalisování za tepla - Je potřeba přesně dodržet předepsanou teplotu ohřevu. Vyšší teplota může změnit strukturu materiálu, a tím jeho pevnost a tvrdost. - Velké rozměrné díly je třeba prohřívat rovnoměrně, aby nezměnily svůj tvar. - Z ohřívaného dílu musí být odstraněny části, které by se mohly ohřevem poškodit, například těsnění. 3.1.3 Spoje lisované příčným roztažením (sestavené při podchlazení vnitřního dílu) Pokud není možné ohřát vnější díl kvůli jeho velikosti, tvaru nebo nebezpečí jeho struktury, podchladí se vnitřní díl (například hřídel) tak, aby šel hladce zasunout do vnějšího dílu. K ochlazování se používá suchý led (pevný CO2 do -79 C) nebo kapalný dusík (do -190 C). Po opětovném ohřátí vnitřního dílu a jeho roztažení, má spoj požadované vlastnosti lisovaného spoje. Při využití vnitřního dílu se montáž lisovaného spojení dílů s přesahem označuje jako nalisování při podchlazení vnitřního dílu. Obr. 8 : 3.1.4 Spoje lisované a uvolňované hydraulicky Tlakový olej přivedený kanálky a rozvedený obvodovou prstencovou drážkou hřídele nebo náboje mezi obě lícované plochy způsobí takovou elastickou deformaci dílů, že se dají vzájemně posouvat poměrně malou silou. Hydraulické uvolnění se používá hlavně při montáži a demontáži velkých valivých ložisek. 7
Obr. 9 : 3.2 Západkové spoje Západkové spoje jsou tvarové spoje využívající při montáži i demontáži pružnosti materiálu dílů, hlavně plastů a pružinové oceli. Kulička, prstenec nebo západka jednoho dílu se zachytí v dutině nebo za zadní stěnu druhého dílu a vytvoří tvarový spoj. Obr. 10 : Alespoň jeden z obou spojovaných dílů musí být natolik elastický, aby mohl při montáži i při demontáži změnit potřebným způsobem svůj tvar. Západkové spoje se dělí na rozebíratelné a nerozebíratelné. Rozebíratelný spoj lze rozpojit silou opačnou k síle spojovací. Nerozebíratelný spoj lze rozebrat jen speciálním způsobem nebo vůbec. Spoj s háky lze rozebrat jen stlačením konců háků k sobě (pokud je k nim přístup). Západky rozebíratelného spoje musí mít šikmé náběhy v obou směrech, vždy alespoň u jednoho z dílů. Při montáži západkového spoje dochází k elastické deformaci alespoň jednoho z dílů. Vytvořený spoj může být rozebíratelný nebo nerozebíratelný. Pomocí západkových spojek se například připevňují ke karoserii auta vnitřní obklady dveří nebo vnější plastové ozdobné lišty. Obr. 11 : Obr. 12 : 8
4. Lepení Lepení je spojování stejných nebo různých látek mezivrstvou lepidla, které vytváří po vytvrzení látkový adhezní spoj, tzv. spoj s materiálovým stykem. Lepené spoje slouží ke: - spojení konstrukčních dílů, - zajištění polohy šroubů, - utěsnění spojovaných ploch. Lepení se používá v leteckém a automobilovém průmyslu pro spojování a připevňování nekovových dílů, například skel na karoserii nebo obložení na čelisti brzd, k upevnění pouzder a ložisek, k zajištění šroubů a k utěsnění dělených skříní. Vlastnosti lepených spojů Přednosti: - nemění strukturu spojovaných materiálů, - rovnoměrný přenos sil mezi díly, - možnost spojování různých materiálů, - těsné spojení, - malá pracnost při montáži. Nedostatky: - potřeba velké styčné plochy, - malá únavová pevnost spoje, - malá tepelná odolnost, - v některých případech dlouhé a složité vytvrzování. 4.1 Soudržnost lepených spojů Soudržnost lepeného spoje závisí na adhezních silách mezi lepidlem a lepenými materiály a na kohezních (soudržných) silách ve vrstvě lepidla. Má-li být pevnost lepeného spoje plechů srovnatelná s pevností (v tahu) samotných plechů, musí být přesah lepených ploch přibližně 5 krát až 20 krát větší než tloušťka plechu. Zatížitelnost lepeného spoje nezávisí jen na velikosti slepené plochy, ale hlavně na směru zatěžování lepeného spoje. Lepené spoje mají být zatěžovány pokud možno hlavně smykově, tj. silami rovnoběžnými s lepenou plochou a jen nepatrně tahovými silami kolmými k lepené ploše. Namáhání spojů tahem při odlupování dílů není pro lepené spoje přípustné. Proti takovému namáhání musí být spojení plechu zajištěno tvarovým zalemováním nebo snýtováním. Lepené spoje musí mít velkou plochu a nesmějí být namáhány odlupováním, tj. tahem. Obr. 13 : 9
5. Pájení Pájení je spojování nebo povlakování kovových ploch roztaveným kovem, tzv. pájkou. Teplota tání pájky musí být nižší, než teploty tání spojovaných kovů, které jsou roztavenou pájkou smáčeny, ale netaví se. Pájení se uskutečňuje často za použití tavidla, v ochranné atmosféře nebo ve vakuu. Pájením vzniká nerozebíratelný látkový spoj, který je pevný, těsný a dobře tepelně i elektricky vodivý. Spojované kovy mohou mít odlišné vlastnosti. Pájením mohou být například upevňovány břitové destičky ze slinutých karbidů na nosnou část nástroje z konstrukční oceli. Pájením je možné pevně, těsně a elektricky vodivě spojovat stejné nebo různé kovy. Pravidla pro pájení: - Pájené díly a pájka mají být zahřáté rychle a rovnoměrně na pracovní teplotu. - Pracovní teplota pájení a maximální teplota pájení vymezují teplotní rozsah pájení. - Teplotní rozsah účinnosti tavidla musí být větší než teplotní rozsah pájení. Obr. 14 : 10
5.1 Příklad vytvoření pájeného spoje Tenkostěnná, leskle tažená ocelová trubka pro vysokotlaké plynové vedení má být spojena s kulovou spojovací koncovkou z mosazi G CuZn 15. Volba druhu pájeného spoje: Vzhledem k požadované pevnosti a bezpečnosti spoje je potřeba spájet díly natvrdo. Pájka a tavidlo: Aby nebylo ovlivněno tepelné zušlechtění ocelové trubky, je třeba použít pájky s nižší pracovní teplotou. Postup pájení: Z pájecího drátu o průměru 1,5 mm se vytvoří kroužek, natře tavidlem a vloží do mosazné koncovky. Pak se natře tavidlem vnější konec ocelové trubky a vsune se do koncovky. Při rozdílu průměru 0,2 mm je mezi trubkou a koncovkou pájecí spára 0,1 mm. Při pájení je trubka postavena svisle, koncovkou nahoru. Následně se trubka s koncovkou ohřívá rovnoměrně ze všech stran plamenem tak, aby bylo dosaženo pracovní teploty 710 C. Jakmile se pájka roztaví, vyplní pájecí spáru a koncovka poklesne vlastní vahou. Chladnutí pájeného spoje by mělo probíhat bez otřesů, aby nebyla porušena struktura, a tím i pevnost pájky. Obr. 15 : Příklad pájení 11
6. Svařování Při svařování dvou dílů se jejich materiály spojí ve struktuře rovnocenné se strukturou samotných dílů, tj. dojde k homogennímu látkovému spojení. K takovému spojení je nutné přivést oba díly v místě svaru do plastického stavu zahřátím. Sváry jsou nerozebíratelné spoje s materiálovým stykem. Přednosti a nedostatky svárových spojů Přednosti: - svár může mít libovolný tvar, - pevnost sváru je často stejná jako pevnost svařovaných dílů, - svařením lze vytvořit těsné nerozebíratelné spoje. Nedostatky: - změny struktury způsobené vysokou teplotou mohou zmenšit pevnost svařovaných dílů, - teplotní dilatace během svařování mohou zdeformovat celkovou konstrukci. 6.1 Vzájemná poloha svařovaných dílů a tvar svaru Svar může spojovat dva nebo více dílů, které mohou mít různé prostorové uspořádání. Obr. 16 : 6.2 Svařování s hrotovým zážehem Svorníkové svařování s hrotovým zapalováním je moderní, racionální spojovací technika vhodná pro celou řadu průmyslových oblastí. Výhody svorníkového svařování: 1. Velmi rychlé navaření svorníků a kolíků z oceli a barevných kovů do d 8 mm. 2. Svorníkové spoje s tenkými plechy od 0,5 mm výše, bez předděrování, vrtání, používání pojistných matic, závitování, nýtování atd. 3. Spoj mezi součástmi je maximálně těsný. 4. Díky minimálnímu teplotnímu působení materiálu nedochází na viditelné straně eloxovaných plechů nebo plechů s povrchovou úpravou k žádnému poškození. 5. Velmi výkonné přístroje jsou zárukou pro rychlý postup svářečských prací. 12
Obr. 17 : Obr. 18 : 13
7. Nýty, nýtování Nýtování představuje nerozebíratelné spojení dvou nebo více strojních dílců (součástí) prostřednictvím nýtů nebo čepů. 7.1 Druhy nýtů Rozlišujeme několik základních druhů nýtů a čepů. Nýt svírá spojené součásti tak, že tření mezi nimi a hlavami nýtů zabraňuje jejich vzájemnému posunutí. Nýty tak můžeme rozdělit na plné a duté, přičemž plné nýty se vyrábějí z měkké oceli, mědi, mosazi, hliníku i jiných materiálů. 7.2 Základní nýtové spoje S těmito nýty můžeme vytvořit následující druhy nýtovaných spojů: Jednořadý, dvouřadý rovnoběžný nebo střídavý, anebo spoj se stykovou deskou. Existuje ovšem i celá řada dalších nýtovaných spojení, jako jsou spoje třířadé, profilové (u nichž se plechy nebo úhelníky nýtují k profilům U, L, V, apod). Obr. 19 : Obr. 20 : 14
7.3 Závady nýtového spoje Během nýtování můžeme způsobit tyto závady: Nedostatečně stažený nýt, nedosednutí přípěrné hlavy, deformace nýtů z důvodu špatné souososti děr, pokřivení nýtu v důsledku malého průměru, šikmé napěchování nýtu, anebo plochá hlava v důsledku použití krátkého nýtu. Proto bychom měli provádět nýtování vždy pečlivě, spojované součásti by měly na sebe navzájem těsně přiléhat, díry pro nýty musí být přesné a rovné, přiměřeného průměru tak, abychom vytvořili kvalitní nýtový spoj. 15
Použitá literatura 1. DILLINGER, Josef a kol., Moderní strojírenství pro školu i praxi, 1.vydání, Europa- Sobotáles cz., Praha 2007, str.204 218, ISBN 978-80-86706-19-1. 2. LEINVEBER, Jan; VÁVRA, Pavel: Strojnické tabulky, 3.vydání, Albra, Úvaly 2006, 908 str., ISBN 80-7361-011-6. 3. INTERNETOVÉ STRÁNKY 16
17