專(zhuān)利名稱(chēng)：一種預(yù)應(yīng)力坎合連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的機(jī)械零件的特殊連接方法，屬于重型裝備、重型機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工和制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界制造大國(guó)，但還不是制造強(qiáng)國(guó)，制約我國(guó)發(fā)展成為制造強(qiáng)國(guó)的原因之一就在于許多涉及重大國(guó)計(jì)民生和國(guó)防安全的重大裝備仍依賴(lài)進(jìn)口，特別是重型裝備的核心關(guān)鍵零部件，國(guó)產(chǎn)化率很低。
重型裝備中的關(guān)鍵件其制造難度主要在于尺寸過(guò)大，重量過(guò)重，即所謂的超重和超限問(wèn)題所引起。有的重型金屬件，重量可達(dá)數(shù)百?lài)?，體積可達(dá)數(shù)十立方米的金屬件，其加工制造的難度也就決定了重型機(jī)器裝備制造的可行性和困難程度。如大型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和葉片，重型軋鋼機(jī)和液壓機(jī)的機(jī)架，重型高壓反應(yīng)容器，核壓力殼以及超超臨界火電重型管件等。許多項(xiàng)目實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)證明，我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度和國(guó)防建設(shè)的鞏固無(wú)不與這些重型機(jī)器金屬零件的高效率制造技術(shù)的發(fā)展水平有關(guān)。
為了完成重型裝備中的重型件的制造、加工，目前工程上普遍采用三種技術(shù)策略來(lái)解決制造的困難。
采用大型冶煉、鑄造和鍛造設(shè)備以及提高吊裝和運(yùn)輸能力，完成重型零件整體制造。如本世紀(jì)我國(guó)第二重機(jī)廠為上海寶鋼制造的重型軋機(jī)牌坊，凈重450t，鑄件550t，需鋼水700t。由于缺少經(jīng)驗(yàn)，鑄造后因?yàn)閲?yán)重的質(zhì)量問(wèn)題半年出不了廠，嚴(yán)重影響重型厚板軋機(jī)制造。采用超大型加工設(shè)備，整體制造重型零件，投資巨大，周期長(zhǎng)。
將重型件剖分成較小件，焊接而形成大件。如1958年我國(guó)開(kāi)始制造的第一臺(tái)1.2萬(wàn)噸水壓機(jī)，當(dāng)時(shí)由于沒(méi)有重型軋制和鍛造設(shè)備，其4根直徑約1m，長(zhǎng)約20米的立柱是由較短的圓柱體鍛件電渣焊而成。質(zhì)量控制要求非常嚴(yán)格，焊縫及熱影響區(qū)問(wèn)題較多，消除應(yīng)力的處理工序復(fù)雜，導(dǎo)致成本高、周期長(zhǎng)。
將重型件剖分成較小件機(jī)械連接而成大件。機(jī)械連接處引發(fā)應(yīng)力集中，降低了許用應(yīng)力。在機(jī)械連接中，用得最普遍的是平面機(jī)械連接，形式多種多樣(如圖1a、b、c、d、e所示)。用以上三種方法解決大件的加工，存在的問(wèn)題是很明顯的，如繼續(xù)提高冶、鑄、鍛的能力受投資、時(shí)間的諸多因素限制；大型(大斷面)件的焊接技術(shù)上限制很多，機(jī)械連接的可靠性，疲勞壽命的問(wèn)題也很多。
機(jī)械連接沿用數(shù)百年，它連接的原理是將兩要素分開(kāi)，抗分離由螺栓來(lái)保證，承剪由抗剪件(鍵，凸臺(tái)，銷(xiāo)，十字鍵)來(lái)保證(精配螺栓既產(chǎn)生正壓力，又有銷(xiāo)釘?shù)目辜裟芰?，一般僅在非重型的輕型連接上應(yīng)用)。但實(shí)際上，只要設(shè)法增大摩擦級(jí)數(shù)，正壓力在連接面上就能產(chǎn)生兩個(gè)力學(xué)效果防止分開(kāi)，同時(shí)防止錯(cuò)動(dòng)(依靠摩擦力)。所以通過(guò)足夠大的正壓力及摩擦系數(shù)就能將兩個(gè)要素自然的統(tǒng)一在一起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)應(yīng)力坎合連接方法，旨為解決重型裝備中重型件的難于整體加工、運(yùn)輸和吊裝的問(wèn)題。這是一種特殊的連接方法，在預(yù)應(yīng)力重型結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的作用下，通過(guò)連接界面的正壓力和摩擦力的聯(lián)合作用，達(dá)到連接界面的牢固連接。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行a、坎合面的確定在確定整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件結(jié)構(gòu)的條件下，首先根據(jù)其受力情況對(duì)未剖分的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析；在需要剖分的零件上選擇預(yù)緊狀態(tài)時(shí)那些以壓應(yīng)力為主、數(shù)值較大且在工作載荷時(shí)壓應(yīng)力波動(dòng)小的剖面作為坎合面，在坎合面上將零件剖分為若干個(gè)尺寸和重量小于該零件且易于加工、運(yùn)輸和吊裝的子件；b、預(yù)緊載荷的確定先預(yù)設(shè)坎合面的摩擦系數(shù)，再調(diào)整施加到子件連接體上的預(yù)緊載荷值，通過(guò)數(shù)字分析方法計(jì)算坎合面上的σ和τ，判斷其是否滿(mǎn)足無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0(I)其中f為坎合面面積μ為坎合面摩擦系數(shù)σ為正應(yīng)力τ為剪應(yīng)力當(dāng)無(wú)分離錯(cuò)移判據(jù)滿(mǎn)足時(shí)，則該值的大小及分布為確定的預(yù)緊載荷，否則需重新調(diào)整預(yù)緊載荷值進(jìn)行計(jì)算，直到滿(mǎn)足無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)，形成牢固的無(wú)分離錯(cuò)移連接；所述的子件連接體為多個(gè)被剖分的子件經(jīng)坎合面而互相連接在一起的整體結(jié)構(gòu)；c、坎合面處理對(duì)坎合面進(jìn)行粘著化處理、粗糙化處理或進(jìn)行粘著化和粗糙化的復(fù)合處理，使坎合面的摩擦系數(shù)達(dá)到步驟b中所預(yù)設(shè)的值；d、預(yù)緊連接用b中確定的預(yù)緊載荷將c步驟中經(jīng)過(guò)表面處理的子件進(jìn)行預(yù)緊，形成一個(gè)整體的機(jī)器零件。
本發(fā)明所述預(yù)緊方式可采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層纏繞、預(yù)緊螺栓預(yù)緊或過(guò)盈裝配的方法。
本發(fā)明所述的粘著化處理是在坎合面夾加粘著性好的金屬板或非金屬板，其厚度0.1～10mm，并對(duì)金屬板或非金屬板進(jìn)行旨在提高粘著特性的表面毛化處理；或在坎合面上進(jìn)行等離子噴涂、熱噴涂、電弧噴涂或電鍍粘著特性好的金屬層，其厚度為0.1～1mm。
本發(fā)明中所述的粗糙化處理包括1)、噴丸、噴砂；2)激光毛化法，用激光對(duì)坎合表面進(jìn)行燒蝕氣化，形成深度為0.01～0.5mm，直徑為0.05-0.2mm的毛化點(diǎn)；3)切削法，用刀具在坎合表面刻劃出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；4)輥花法，用輥刀在坎合表面輥壓出出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；5)用磨具打磨坎合表面。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①將重型件剖分為若干個(gè)尺寸和重量遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu)且易于加工、運(yùn)輸和吊裝的子件(優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程)，分別加工制造子件；②子件的連接不采取焊接等冶金連接，也不采取傳統(tǒng)的機(jī)械連接，而是運(yùn)用在合適預(yù)應(yīng)力下產(chǎn)生的足夠大的摩擦力來(lái)進(jìn)行連接，可保證子件間具有良好的抗分離和抗錯(cuò)移特性；③完全消除連接界面的應(yīng)力集中區(qū)，可大大提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性；④無(wú)需焊接，無(wú)焊縫熱影響區(qū)，無(wú)需消除應(yīng)力的熱處理工序；⑤該方法工序和操作簡(jiǎn)單，加工成本低，采用這種連接可以將子件可靠地拼合成大型的重型件，解決關(guān)鍵件制造的超重超限難題。它作為一種新型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的連接工藝方法，可在重型機(jī)器關(guān)鍵制造方面發(fā)揮重要作用。


圖1(a、b、c、d、e)為傳統(tǒng)機(jī)械連接方式示意圖。
圖2a為半圓梁受力分析圖，圖2b為半圓梁剖分示意圖。
圖3a為高壓反應(yīng)器剖分示意圖。
圖3b為高壓反應(yīng)器鋼絲層預(yù)緊的情況。
圖4a為坎合面連接示意圖。
圖4b為圖4a中坎合面連接的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5a為3.5萬(wàn)噸液壓機(jī)半圓梁機(jī)架(無(wú)坎合設(shè)計(jì))示意圖。
圖5b為3.5萬(wàn)噸液壓機(jī)坎合連接的半圓梁設(shè)計(jì)(拱形梁結(jié)構(gòu))示意圖。
圖6為200噸坎合連接的實(shí)驗(yàn)機(jī)示意圖。
具體實(shí)施例方式
預(yù)應(yīng)力坎合連接機(jī)理本發(fā)明提出一種新的連接方式——預(yù)應(yīng)力坎合連接，坎合連接是一種適于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中大斷面，特大斷面的無(wú)組織變化、無(wú)拉應(yīng)力集中、無(wú)熱影響區(qū)、無(wú)缺陷和無(wú)變形，適于任何材料的連接方式，尤其適于大型的重型件。對(duì)于預(yù)應(yīng)力坎合連接，其連接要素為坎合面不被分離，即要求足夠的垂直于坎合面的正壓力作用在坎合面上；坎合面不發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)或錯(cuò)移，要求坎合面具有足夠的抗剪切力的能力。
坎合連接的本質(zhì)是坎合面雙方，在微觀尺度的范圍內(nèi)，由于表面的特性和形態(tài)的凹、凸不平互相坎合而形成的阻力——靜摩擦力，保證接觸表面在各種載荷下均不會(huì)發(fā)生錯(cuò)功，牢固地連接在一起。從工程實(shí)踐的角度分析，影響摩擦力的因素最后可歸納為兩方面材料接觸表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，表面粗糙度越大摩擦系數(shù)越大，從而摩擦力越大；材料接觸表面的黏著特性也影響摩擦系數(shù)。連接界面如果發(fā)生較大的粘著效應(yīng)，就可在接觸面上產(chǎn)生很大的摩擦力。
組裝面與坎合面的區(qū)別機(jī)器零件組裝成部件進(jìn)而裝配成機(jī)器，這種組裝與裝配的界面并不是本發(fā)明所指的坎合面?？埠厦媸侵笧闇p小和降低重型、重大零件的加工、制造和運(yùn)輸難度，而特別對(duì)原為整體的結(jié)構(gòu)剖分為子件所設(shè)計(jì)的剖分界面。通過(guò)施加特別的預(yù)緊載荷及實(shí)施特殊的表面處理，在子件相互連接的界面上引起和形成達(dá)到設(shè)計(jì)要求的正壓力和摩擦力，從而保證子件相互間良好的抗分離和抗錯(cuò)移性，達(dá)到相互連接，最終獲得完整的整體的重型結(jié)構(gòu)件。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步的說(shuō)明坎合面的確定在確定整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件結(jié)構(gòu)的條件下，首先根據(jù)其受力情況，通過(guò)數(shù)字方法和彈性力學(xué)方法對(duì)未剖分的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析；在需要剖分的零件上選擇預(yù)緊狀態(tài)時(shí)那些以壓應(yīng)力為主、數(shù)值較大且在工作載荷時(shí)壓應(yīng)力波動(dòng)小的剖面作為坎合面，在坎合面上將零件剖分為若干個(gè)尺寸和重量小于該零件且易于加工、運(yùn)輸和吊裝的子件；圖2a為半圓梁受力分析圖，圖2b為半圓梁剖分示意圖。如一個(gè)重型梁，其重量可達(dá)240t左右，圖2-a所示。其圓周面承受法向載荷q，底面承受垂直載荷p。結(jié)構(gòu)分析表明，沿圓周一定范圍內(nèi)(圖2-a中，打斜線(xiàn)的區(qū)域)沿著其切線(xiàn)方向存在很大的壓應(yīng)力；底面中央附近，高度達(dá)梁高的1/3(圖2-a中打點(diǎn)的區(qū)域)范圍內(nèi)，存在拉應(yīng)力。如將梁剖分為半圓形墊塊和拱型結(jié)構(gòu)兩部分(圖2-b)，此種剖分幾乎完全消除了半圓形墊塊上的拉應(yīng)力，拱型結(jié)構(gòu)上的受力更趨合理。如進(jìn)一步將拱型結(jié)構(gòu)剖分為三個(gè)相等的子件，即形成A1，A2，A3和半圓形墊塊A4，即四個(gè)子件和兩個(gè)坎合平面(k1，k2)，一個(gè)坎合曲面(A4與A1，A2，A3之間的接觸面)。每一個(gè)結(jié)構(gòu)重量均在60-75噸左右，大大減小了冷、熱加工的難度。
又如一個(gè)非圓形(具有垂直于水平對(duì)稱(chēng)軸)高壓反應(yīng)器，如圖3-a所示，用k1，k2…k8七個(gè)坎合面將其剖分為A1，A2…A8共8個(gè)子件。采用外法線(xiàn)載荷q將其預(yù)緊(壓縮)而形成一個(gè)整體。q為非均布，在曲率很大處q值大，曲率小處q值小。采用帶有一定張力的鋼絲進(jìn)行纏繞形成鋼絲層1可以產(chǎn)生所要求的q值，對(duì)簡(jiǎn)單的坎合結(jié)構(gòu)當(dāng)然亦可采用預(yù)緊螺栓或壓配、熱裝來(lái)形成q值。圖3-b為鋼絲層預(yù)緊的情況。
預(yù)緊載荷的確定與預(yù)應(yīng)力技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可保證坎合界面上所要求的正壓力，如圖4所示，坎合界面或子件界面是指粘著層與子件2的接觸表面和子件2的接觸表表面。預(yù)緊載荷q作用在坎合連接雙方——子件2和子件3上，預(yù)緊載荷在子件中形成的應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)為預(yù)應(yīng)力場(chǎng)。預(yù)應(yīng)力場(chǎng)在連接界面上的應(yīng)力為正應(yīng)力σ和剪力τ，這些應(yīng)力也作用在黏著層上。當(dāng)連接體承受工作載荷后將發(fā)生變化，τ與σ都會(huì)發(fā)生變化，但如果始終存在μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0(I)無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)其中f為坎合面面積μ為坎合面摩擦系數(shù)σ為正應(yīng)力τ為剪應(yīng)力則可保證坎合連接的可靠性和牢固性。(I)式為無(wú)分離無(wú)錯(cuò)移判據(jù)，坎合界面的材料性質(zhì)、表面性質(zhì)和預(yù)應(yīng)力場(chǎng)決定了坎合連接的牢固程度。
預(yù)緊載荷是保證坎合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性，并使結(jié)構(gòu)能夠承受工作載荷的載荷。圖2和圖3中的q值即為預(yù)緊載荷，它的正確確定，成為坎合設(shè)計(jì)的重要步驟之一。q值一般通過(guò)數(shù)字分析方法確定先預(yù)設(shè)坎合面的摩擦系數(shù)，再調(diào)整施加到子件連接體(多個(gè)子件經(jīng)坎合面而互相連接在一起的結(jié)構(gòu)——子件連接體，當(dāng)對(duì)它施加合適的預(yù)緊載荷后就形成重型結(jié)構(gòu)件或稱(chēng)重型件或重型機(jī)器零件)上的預(yù)緊載荷q值，通過(guò)數(shù)字分析方法計(jì)算坎合面上的σ和τ，判斷其是否滿(mǎn)足無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)，當(dāng)無(wú)分離錯(cuò)移判據(jù)滿(mǎn)足時(shí)，則該q值的大小及分布為確定的預(yù)緊載荷，否則需重新調(diào)整預(yù)緊載荷值進(jìn)行計(jì)算，直到滿(mǎn)足無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)，形成牢固的無(wú)分離錯(cuò)移連接；坎合面處理坎合面處理的目標(biāo)是使坎合面上的摩擦系數(shù)達(dá)到甚至超過(guò)上一步驟中所預(yù)設(shè)的摩擦系數(shù)值。根據(jù)所需摩擦系數(shù)之值確定坎合面的表面處理要求。表面處理最基本的方法，也是本發(fā)明的重點(diǎn)之一為坎合表面的粘著化處理。從工程應(yīng)用的角度，增加坎合面(特別是面積很大的坎合面)上摩擦系數(shù)的實(shí)用化方法是進(jìn)行粘著化處理——夾加一層粘性大，強(qiáng)度高的材料，如鈦合金板，形成粘著層(如圖4中k層所示)，糙化處理或進(jìn)行粘著化和粗糙化的復(fù)合處理。增加摩擦系數(shù)的具體技術(shù)措施鏈如下(一)增加坎合面的粘著特性(i)、在坎合面夾加鈦或鈦合金板，厚度0.1～10mm(ii)在坎合面夾加鋁或鋁合金板，厚度0.1～10mm(iii)在坎合面夾加其它粘著性比較好的金屬板和非金屬板(iv)在上述各種夾加的金屬板和非金屬板表面進(jìn)行旨在增加粗糙度的各種機(jī)械的，化學(xué)的，電化學(xué)的，或各種綜合性的處理；(v)在坎合面上進(jìn)行等離子噴涂，熱噴涂，電弧噴涂等或電鍍粘著特性好的金屬層，
(如鈦，鋁，鎂等合金)其厚度為0.1～1mm(vi)、在坎合面黏著層和坎合面上噴涂非金屬粘結(jié)劑(二)增加坎合面的粗糙度(i)、噴丸，噴砂(鋼丸為Φ1mm×2mm的柱體或Φ0.5～Φ1mm的砂粒)。
(ii)、激光毛化法，用激光對(duì)坎合表面進(jìn)行燒蝕氣化，形成毛化點(diǎn)(0.01～0.5mm深，Φ0.05～0.2mm)，以增加摩擦系數(shù)(iii)、切削法，用刀具在連接表面刻劃出增加摩擦系數(shù)的花紋(0.1～0.5mm深，0.1～0.5mm寬)(iv)、輥花法，用輥刀在連接表面輥壓出花紋(尺寸同切削法)(v)、用磨具打磨坎合表面(三)、復(fù)合措施進(jìn)行粘著化和粗糙化的復(fù)合處理。
實(shí)施例13.5萬(wàn)噸模鍛液壓機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)該壓機(jī)為世界上壓制力最大的單缸超高壓壓機(jī)。單個(gè)工作缸，產(chǎn)生350MN的壓制力，適于各種高溫合金、鈦合金等渦輪盤(pán)以及各類(lèi)盤(pán)形零件和模鍛。該機(jī)采用預(yù)應(yīng)力纏繞結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有采用坎合方法的常規(guī)設(shè)計(jì)中，機(jī)架的上、下半圓梁各重240t(如圖5-a所示)；運(yùn)用坎合原理和方法后，按數(shù)字和力學(xué)分析結(jié)果可得出圖5b中所示的3個(gè)適合剖分的坎合面，由坎合面可將半圓梁分成四塊，用預(yù)緊鋼絲層5預(yù)緊而形成一個(gè)整體。其中K1，K2，K3，K4為平面坎合面(如圖5-b所示)，A1和A2為圓柱形坎合面，每一半圓梁被分為4塊，每塊重為60噸。這樣降低了在冶煉、鑄造、鍛造上的難度，使重型件可制造性大大提高。
實(shí)施例2200t坎合機(jī)架實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力坎合原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性，設(shè)計(jì)了承載能力為200t的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞坎合實(shí)驗(yàn)機(jī)架。
實(shí)驗(yàn)機(jī)架如圖6所示將拱型梁剖分成三個(gè)坎合子件。上下梁總計(jì)有4個(gè)坎合面，即A1，A2，A3，A4，6個(gè)坎合結(jié)構(gòu)。立柱為中空結(jié)構(gòu)、拱型梁截面為實(shí)心矩形(尺寸見(jiàn)圖6)。加載器為Φ190mm的油缸，工作內(nèi)壓為120MPa，故最大加載噸位為P=1200×π4·192=340t]]>內(nèi)壓為70MPa時(shí)，產(chǎn)生198t加載力，90MPa時(shí)為255t。加載油缸外徑略小于Φ280mm，正好可置入機(jī)架內(nèi)。調(diào)整墊塊的位置(左右或前后偏移、實(shí)現(xiàn)中心加載和偏心加載)。
實(shí)驗(yàn)分為預(yù)緊實(shí)驗(yàn)和工作載荷實(shí)驗(yàn)，預(yù)緊實(shí)驗(yàn)為用鋼絲纏繞在機(jī)架外輪廓上，鋼絲層的張力將梁、柱箍緊形成整體機(jī)架，此時(shí)為預(yù)緊狀態(tài)，考察A坎合面的錯(cuò)移情況。加載器通過(guò)墊板加中心和偏心工作載荷，再考察A坎合面錯(cuò)移情況。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果第一次實(shí)驗(yàn)將坎合面雙方車(chē)成同心圓圖案，其深度與寬度均為0.5mm，在不加任何黏著層的情況下進(jìn)行坎合連接。預(yù)緊力為215.7噸，預(yù)緊后所有坎合面均無(wú)錯(cuò)移或分離。然后加中心載荷，當(dāng)加載器內(nèi)壓升至70MPa(198t)時(shí)，在A1坎合面(圖5)，表面油漆形成的固態(tài)漆面上，產(chǎn)生沿坎合面的貫通裂紋。其它A2、A3、A4三坎合面上裂紋不明顯，，共加載3次。當(dāng)中心載荷增加到90MPa(255t)和120MPa(340t)后，A類(lèi)漆面裂紋同前，B1、B2、B3和B4的漆面也產(chǎn)生貫通裂紋。偏心載荷由偏移加載墊板20mm實(shí)現(xiàn)。偏心載荷直接加到340t，裂紋發(fā)展情況同中心載荷。
第二次實(shí)驗(yàn)將兩坎合面車(chē)成同心圓圖案，其深度與寬度均為0.5mm，再墊加0.5mm的鈦板(牌號(hào)為PA2)。預(yù)緊力為183.2t，略小于第一次實(shí)驗(yàn)的預(yù)緊力，預(yù)緊載荷下所有坎合面均無(wú)錯(cuò)移或分離。加中心載荷和偏心載荷，其加載條件同第一次實(shí)驗(yàn)。加載90MPa(相當(dāng)于225t)和120MPa(相當(dāng)于340t)，A1、A2、A3和A4表面漆面完好，無(wú)任何漆裂。在坎合面上刻有劃痕，但未見(jiàn)劃痕錯(cuò)移，但B1、B2、B3和B4的漆面產(chǎn)生了貫通裂紋。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論1)在預(yù)緊狀態(tài)下，A1、A2、A3和A4坎合面均坎合連接完整，無(wú)任何錯(cuò)移。在第一次預(yù)緊纏繞時(shí)，僅有增加摩擦的同心圓圖案而無(wú)鈦板，第二次預(yù)緊纏繞時(shí)，在已有的界面上又夾加具有良好黏著特性的鈦板。有無(wú)鈦板，對(duì)纏繞預(yù)緊影響很小，本次實(shí)驗(yàn)看不出差別。
2)第一次預(yù)緊后的工作載荷，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)載荷為198t時(shí)(加載器內(nèi)壓為70MPa)，A1坎合面漆面產(chǎn)生貫通裂紋，說(shuō)明坎合面上有錯(cuò)移或局部分離或壓應(yīng)力較大變化。繼續(xù)加載后裂紋仍清晰可見(jiàn)。而第二次加載實(shí)驗(yàn)，同樣加載條件，且預(yù)緊力比第一次還小，載荷加至340t時(shí)仍未見(jiàn)A類(lèi)坎合面發(fā)生漆面裂紋。此對(duì)比實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明鈦板對(duì)提高坎合連接可靠性的重要意義。
3)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞產(chǎn)生的預(yù)緊力可以保證坎合面(墊有鈦板，刻有同心圓圖案)可靠地坎合連接所需的預(yù)壓應(yīng)力。
4)第一次和第二次工作載荷實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工作載荷達(dá)到255t和340t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)驗(yàn)機(jī)架的預(yù)緊力(198t和183.2t)時(shí)，B類(lèi)界面由于壓應(yīng)力的喪失而分離是正常的。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行a、坎合面的確定在確定整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件結(jié)構(gòu)的條件下，首先根據(jù)其受力情況對(duì)未剖分的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析；在需要剖分的零件上選擇預(yù)緊狀態(tài)時(shí)那些以壓應(yīng)力為主、數(shù)值較大且在工作載荷時(shí)壓應(yīng)力波動(dòng)小的剖面作為坎合面，在坎合面上將零件剖分為若干個(gè)尺寸和重量小于該零件且易于加工、運(yùn)輸和吊裝的子件；b、預(yù)緊載荷的確定先預(yù)設(shè)坎合面的摩擦系數(shù)，再調(diào)整施加到子件連接體上的預(yù)緊載荷值，通過(guò)數(shù)字分析方法計(jì)算坎合面上的σ和τ，判斷其是否滿(mǎn)足無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0(I)其中f為坎合面面積μ為坎合面摩擦系數(shù)σ為正應(yīng)力τ為剪應(yīng)力當(dāng)無(wú)分離錯(cuò)移判據(jù)滿(mǎn)足時(shí)，則該值的大小及分布為確定的預(yù)緊載荷，否則需重新調(diào)整預(yù)緊載荷值進(jìn)行計(jì)算，直到滿(mǎn)足無(wú)分離無(wú)錯(cuò)位判據(jù)，形成牢固的無(wú)分離錯(cuò)移連接；所述的子件連接體為多個(gè)被剖分的子件經(jīng)坎合面而互相連接在一起的整體結(jié)構(gòu)；c、坎合面處理對(duì)坎合面進(jìn)行粘著化處理、粗糙化處理或進(jìn)行粘著化和粗糙化的復(fù)合處理，使坎合面的摩擦系數(shù)達(dá)到甚至超過(guò)步驟b中所預(yù)設(shè)的值；d、預(yù)緊連接用b中確定的預(yù)緊載荷將c步驟中經(jīng)過(guò)表面處理的子件進(jìn)行預(yù)緊，形成一個(gè)整體的機(jī)器零件。
2.按照權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，其特征在于步驟d中所述的預(yù)緊采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層纏繞、預(yù)緊螺栓預(yù)緊或過(guò)盈裝配的方法。
3.按照權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，其特征在于步驟c中所述的粘著化處理是在坎合面夾加粘著性好的金屬板或非金屬板，其厚度0.1～10mm，并對(duì)金屬板或非金屬板進(jìn)行旨在提高粘著特性的表面毛化處理；或在坎合面上進(jìn)行等離子噴涂、熱噴涂、電弧噴涂或電鍍粘著特性好的金屬層，其厚度為0.1～1mm。
4.按照權(quán)利要求3所述的預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，其特征在于所述的金屬板或金屬層采用鈦、鈦合金、鋁或鋁合金材料。
5.按照權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，其特征在于步驟c中所述的粗糙化處理包括1)、噴丸、噴砂；2)激光毛化法，用激光對(duì)坎合表面進(jìn)行燒蝕氣化，形成深度為0.01～0.5mm，直徑為0.05-0.2mm的毛化點(diǎn)；3)切削法，用刀具在坎合表面刻劃出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；4)輥花法，用輥刀在坎合表面輥壓出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；5)用磨具打磨坎合表面。
全文摘要
一種預(yù)應(yīng)力坎合連接的方法，該方法是在預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的作用下，在連接界面上形成正壓力和摩擦力，保證連接界面在外載荷的作用下不發(fā)生分離或錯(cuò)移，而形成牢固的連接。本發(fā)明所述的預(yù)應(yīng)力坎合連接方法，其特征是將整體零件剖分為尺寸和重量小于原結(jié)構(gòu)、且易于加工、運(yùn)輸和吊裝的子件；加工制造子件，對(duì)其連接界面進(jìn)行處理，并對(duì)子件連接體施加預(yù)緊載荷，形成預(yù)應(yīng)力場(chǎng)。該方法操作簡(jiǎn)單，成本低；無(wú)需焊接，無(wú)焊縫熱影響區(qū)，可完全消除連接界面的應(yīng)力集中區(qū)，大大提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性。采用這種連接可以將子件可靠地拼合成大型的重型件，解決關(guān)鍵件制造的超重超限難題。它作為一種新型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的連接工藝方法，可在重型機(jī)器關(guān)鍵制造方面發(fā)揮重要作用。
文檔編號(hào)F16B11/00GK1769723SQ20051009858
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者顏永年, 林峰, 吳任東, 彭俊斌, 盧清萍, 張人佶, 袁達(dá), 熊卓, 王小紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)