автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование методов расчета натяга в прессовых соединениях на основе управления технологическими условиями обработки поверхностей

На правах рукописи

Федулов Виталий Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАТЯГА В ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 Г 2013

005536261

Рыбинск-2013

005536261

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения».

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.

Официальные оппоненты:

Шуваев Вячеслав Георгиевич, доктор технических наук, Самарский государственный технический университет, доцент кафедры «Автоматизация производств и управление транспортными системами»;

Карабань Василий Григорьевич, кандидат технических наук, Волгоградский государственный технический университет, доцент кафедры «Технология машиностроения».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-западный государственный университет», г. Курск

Защита диссертации состоится 27 ноября 2013 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».

Автореферат разослан 2,Ь г.

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Проектирование современных узлов техники связано с повышением требований по прочности и технологичности. Одним из видов соединений деталей в узлах изделий являются соединения с натягом, которые могут выдерживать значительные рабочие нагрузки при небольших габаритах. Это обуславливает их широкое применение в различных узлах и механизмах. Обеспечение требуемых прочностных характеристик соединений с натягом зависит не только от выбора посадки в соединении, физико-механических свойств материала деталей, их геометрических размеров, вида сборки, но и от шероховатости обработанной поверхности, изменение которой возможно при управлении процессом механической обработки. Для этого необходимо знать влияние различных факторов процесса резания на характеристики качества поверхностного слоя, иметь обобщённые аналитические зависимости между характеристиками качества поверхностного слоя, технологическими параметрами процесса механической обработки и величиной расчетного натяга в соединении.

В настоящее время расчет соединений с натягом ведётся по классическим формулам с помощью большого количества справочных данных. В расчетах используются средние экспериментальные значения коэффициентов трения, которые зависят от параметров шероховатости контактных поверхностей. При сборке соединений с термовоздействием влияние параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей не учитывается. При сборке методом продольной запрессовки из параметров качества поверхностного слоя деталей учитывается лишь параметр Яг. В литературе приводятся различные неоднозначные рекомендации по назначению параметров шероховатости с заданным натягом в соединении. Неоднозначно определяются посадки при выполнении таких соединений. Учет влияния комплекса параметров шероховатости на величину расчетного натяга и коэффициентов трения позволит более качественно осуществлять прочностной расчет соединений с натягом. Выполнение процесса механической обработки по заданным параметрам качества поверхностного слоя детали позволит обеспечить требуемые характеристики изделия. Использование программного автоматизированного расчета на ЭВМ сократит время на проектирование соединений с натягом.

Цель работы. Обеспечение требуемых значений расчётного натяга в прессовых соединениях деталей машин, собранных различными методами, за счет управления технологическими условиями обработки сопрягаемых поверхностей.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

1. На основе анализа работ по теме диссертации выявить основные

технологические способы обеспечения надежности соединений с натягом, их связь с расчетным определением величины натяга сопрягаемых поверхностей.

2. Определить зависимость величины натяга в соединении от технологических условий обработки сопрягаемых поверхностей деталей с учетом выполняемых функциональных требований, материала деталей и способа сборки соединения.

3. Разработать методику обеспечения качества соединений с натягом с учетом обоснованного назначения технологических условий обработки сопрягаемых поверхностей.

4. Провести экспериментальную проверку адекватности назначения технологических условий обработки и сопоставление расчетных данных эксплуатационных свойств неразборных соединений с натягом с данными экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в получении расчетных зависимостей для определения величины натяга с учетом параметров шероховатости и технологических условий обработки, а также алгоритмов для её реализации, а именно:

1. Для численного определения нагрузочной способности соединения с натягом установлены зависимости расчетного натяга от параметров шероховатое™ и технологических условий обработки сопрягаемых поверхностей деталей, учитывающие метод сборки.

2. Разработан алгоритм определения номинального натяга и посадки в соединении, обеспечивающий требуемую прочность, в зависимости от вида сборки и технологических условий обработки сопрягаемых поверхностей деталей.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке зависимостей, связывающих величину расчетного и номинального натягов с параметрами шероховатости контактных поверхностей и технологическими условиями их обработки для различных методов сборки.

Практическая ценность работы заключается в создании методики определения условий обработки поверхностей деталей при сборке соединения с натягом, позволяющей решить задачу по определению нагрузочной способности прессового соединения при различных способах сборки деталей, с учетом параметров шероховатости контактных поверхностей. Это даёт возможность обоснованно назначить посадку в соединении на стадии проектирования изделия. Разработанная компьютерная программа по автоматизированному расчету параметров соединения с натягом повышает эффективность и сокращает время на разработку конструкторско-технологической документации.

Общая методика исследований. Работа базируется на научных основах теории контактирования твердых тел, технологии машиностроения, технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя, а также экспериментальных методах исследования влияния параметров качества поверхностного слоя деталей после механической обработки на величину прочности соединений с натягом. При проведении исследований использовались фундаментальные положения физики твердого тела, технологии машиностроения и обработки материалов резанием. Анализ и обработка экспериментальных данных и проверка параметров качества математических зависимостей производились с использованием программных продуктов Mathsoft® Mathcad, Microsoft® Office Excel.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Математические зависимости расчетного натяга от параметров шероховатости и технологических условий обработки контактных поверхностей при различных методах сборки.

- Методика расчетного определения условий обработки поверхностей деталей при сборке соединений с натягом

Достоверность полученных результатов и выводов основана на использовании в диссертационной работе известных теоретических закономерностей. Предлагаемые в работе теоретические зависимости подтверждаются результатами экспериментальных исследований, выполненных автором и другими исследователями. Эксперименты проводились на универсальной метрологически поверенной разрывной машине ИР 5047-50.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

64-я Региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, .Ярославль, 2011 г.; «Международные Колмогоровские чтения - ГХ», Ярославль, 2011 г.; XXXVIII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», Москва, 2012 г.; Четвёртая международная научно-техническая конференция «Нукоёмкие технологии в машиностроении авиадвигателестроении (ТМ-2012)», Рыбинск, 2012 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий», Уфа, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ в различных журналах и сборниках научных трудов, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованных источников, приложений. Объем работы - 143 страницы машинописного текста, включающего 44 рисунка, 30 таблиц, список использованных источников из 86 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, дана общая характеристика направления исследований.

В первой главе выполнен анализ литературных данных по состоянию вопроса. Вопросами повышения прочности соединений с натягом, особенностями их проектирования, изготовления и автоматизации сборки занимались такие отечественные и зарубежные учёные, как Е. С. Гречшцев, Е. И. Берникер, Г. А. Бобровников, А. А. Ильяшенко, А. С. Зенкин, Б. М. Арпентьев, М. Г. Кристаль, Б. Л. Штриков, В. Г. Шуваев, Б. СагсЬз, в. 8сЬе£йег, и др.

Большинство авторов исследований показывают, что на формирование натяга в соединении превалирующее влияние оказывают три фактора: 1) способ сборки соединения; 2) физико-механические свойства материалов деталей; 3) упругопластические деформации шероховатости контактных поверхностей деталей.

Осевую силу и крутящий момент, которые характеризуют прочность посадки в соединении, оценивают по формулам:

Р0 = п-е1-1-р-/ве; (1)

Мкр=п-с12-1-р-/кр/2, (2)

где с/ - номинальный диаметр сопрягаемых поверхностей; / - длина контакта соединяемых деталей; /х - коэффициенты трения при кручении и осевом сдвиге; р - давление в соединении, определяемое по формуле:

Др •Е2

Е2

,2

1-(с1й1с1)2

^-(¿/Ц)2 2

(3)

Др - расчетный натяг в соединении, мм; Еъ Е2 - модули упругости материалов охватываемой и охватывающей деталей, МПа; Ць Ц2 - коэффициенты Пуассона материалов соединяемых деталей; с!0 - диаметр отверстия пустотелой охватываемой детали, мм; с1 - номинальный диаметр сопрягаемых поверхностей, мм; О - диаметр наружной поверхности охватывающей детали,

мм; сх - предел текучести материала деталей, МПа.

Анализ фундаментальных исследований в области проектирования указывает на важность улучшения качества узлов машин на основе развития технологических методов повышения надёжности соединений с натягом. Изучены предпосылки создания зависимостей, учитывающих влияние параметров качества поверхностного слоя сопрягаемых деталей на величину расчетного натяга при различных способах сборки. На основе экспериментальных данных выявлены общие закономерности влияния шероховатости на прочность соединений с натягом и даны рекомендации по выбору параметров шероховатости Яа или Яг, однако оптимальные значения не указываются, отсутствует информация по таким параметрам шероховатости, как Яр, и др.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе диссертации на основе анализа ранее выполненных исследований установлено, что величину натяга в формируемом соединении необходимо рассчитывать, исходя из метода сборки. Метод сборки определяет процесс контактирования шероховатых поверхностей деталей. Так при сборке методом осевой запрессовки происходит срезание и частичная пластическая деформация микронеровностей, при сборке методом термовоздействия идёт процесс взаимного упругопластического деформирования шероховатости. При запрессовке деталей с применением ультразвука образуется отличный от классической запрессовки микрорельеф с увеличением опорной длины профиля за счет процессов микрорезания в зоне контакта. В работе получены математические зависимости, позволяющие рассчитать величину расчетного натяга с учетом параметров шероховатости и технологических условий обработки контактных поверхностей.

Для метода продольной запрессовки деталей, изготовленных из конструкционных сталей:

ДР = 0,86 • Дн • ЛГ49'23^' ■ Л;°'58 Д" • Б-2*^, (4)

где Др - расчетный натяг в соединении, мкм; Дн — номинальный натяг в соединении, Яа, Яр, З'т - параметры шероховатости, мкм;

Для сопряжения деталей, изготовленных из алюминиевого сплава и бронзы, расчетный натяг будет находиться по следующей зависимости:

I сс л-1.06 1 1-х л"'.03 Г ПС д-1,05

ДР = 0,84 • Аи • Яа н ■Я;1'73 Л" . (5)

При сборке методом термовоздействия расчетный натяг в соединении равен разнице между номинальным натягом и величиной упругопластических

деформаций, которые, в свою очередь, могут быть выражены через технологические условия обработки контактных поверхностей. На основе зависимостей по определению упругопластических деформаций микронеровностей в плоском стыке деталей, полученных К.Т.Н. Дмитриевой М. Н., автором диссертации предложено выражение, позволяющее рассчитать величину расчетного натяга при известных режимах обработки сопрягаемых поверхностей:

Лр =ДН -У-г0'25^0'18 .,-0.05-г0-26 .^,000^'»= у.осз^8 .у^ог0^ (6)

где V - скорость резания, м/мин; 5- подача, мм/об; / - глубина резания, мм; г -радиус при вершине резца в плане, мм; ср - главный угол в плане, градус; ф1 -вспомогательный угол в плане, градус; ат - предел текучести материала деталей, МПа.

На основе работ профессора Штрикова Б. Л. по исследованию влияния ультразвука и параметров шероховатости на величину расчетного натяга, автором диссертации получена комплексная зависимость по определению номинального натяга в соединении:

Дн = 4,8 ■ 10"8 • е39 • Яа^25 ■ Яр-2 9 • гвс'-53 +1,2 • (&г, + ^г \ (?)

где Дн - номинальный натяг в соединении, мм; Яа, Лгь Яг2, Яр, гпс - параметры шероховатости, мкм; £ - частота колебаний в системе, мкм.

Полученная формула имеет область применения при малых значения шероховатости Яа не более 1,25 мкм, частоте колебаний в системе £ в пределах 20 мкм. Наиболее эффективна сборка с ультразвуком при величинах натяга менее 20 мкм.

Условие прочности деталей соединения заключается в отсутствии их пластической деформации, поэтому максимальные эквивалентные напряжения, действующие на поверхностях деталей, необходимо сравнивать с пределом текучести материалов деталей:

0,„=-г-;-:-N-т-—^ VI -ат-

Е2

1 + Ц> /¿)

\-idJdf *

2 ^ „ (\ + (с1 О)2

+ Е.-1 —--+

1 1 \-idlDf

В третьей главе представлены общие теоретические положения по обоснованию выбора методов расчетного определения коэффициентов трения с учетом шероховатости контактных поверхностей и площади контакта. Использование средних значений коэффициентов трения приводит к погрешности силового расчета соединения. Коэффициенты трения при наличии упругопластических деформаций в зоне контакта в работах исследователей

М. С. Дрозда и М. М. Матлина предлагается определять по выражениям:

/ос=0,218-<

/кр = 0,27-ті''

l/v

HB

\ 0,58

ґ \°>58 ґнв л

(Ю)

где v - параметр опорной кривой, зависящий от вида обработки; НВ - модуль твердости по шкале Бринелля; р - среднее давление в цилиндрическом стыке, МПа; т\, = А^Аа - относительная фактическая площадь контакта в цилиндрическом соединении.

Процесс упругопластического взаимодействия шероховатых поверхностей деталей при различных методах механической обработки имеет определённые особенности. Исследования в этой области ученых ДёмкинаН. Б. и Рыжова Э. В., по мнению автора диссертации, могут быть использованы для расчета коэффициентов трения (9)-(10). Расчёт площади контакта при упругопластическом взаимодействии шероховатых поверхностей производится по формуле:

N

Аг=-+

ест т

bllv ■ A\'v ■

v-l

' N

CG

(11)

T У

где N - нормальная сила нагрузки, Н; с - коэффициент (для наклёпанного материала с~ 3); ак - критическая величина сближения поверхностей, мкм; Rm3X- максимальная высота неровностей, мкм; от - предел текучести материала, МПа. В первом приближении можно считать сат = HB.

Для точного определения параметра опорной кривой v и Ъ во взаимосвязи с характеристиками профиля шероховатости профессором Дёмкиным Н. Б. получены зависимости:

v = 2 • f _

-1-1; Ra

(12)

b = tm

^гпах

Rp

А =

I+v

HB J

(13)

Контурная площадь контакта Ас, входящая в выражения (11), определяется по следующей зависимости:

тдеАа - номинальная площадь контакта.

На основе теоретического анализа по определению параметров шероховатости после лезвийной обработки установлено, что наиболее полно описывают процесс формирования шероховатости с учетом режимов резания, геометрических параметров инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала зависимости, разработанные профессором Безъязычным В. Ф. и его учениками. Указанные зависимости использовались автором для установления взаимосвязи расчетного натяга и технологических условий изготовления сопрягаемых поверхностей при токарной обработке.

Предложена последовательность расчета и разработан алгоритм расчетного определения технологических условий обработки контактируемых поверхностей при выполнении соединения с натягом.

В четвёртой главе проведены экспериментальные исследования с целью сопоставления теоретических расчетов по влиянию шероховатости контактных поверхностей на прочность прессовых соединений, собранных методом продольной запрессовки и с термовоздействием. Образцы изготавливались на токарном оборудовании из стали 40Х с различными параметрами шероховатости сопрягаемых поверхностей (рисунок 1).

Измерения шероховатости поверхностей проводились согласно ГОСТ 25142-82 портативным профилометром модели ТЕ. 200. При сборке методом осевой запрессовки параметры шероховатости поверхностей находились в следующих диапазонах: Ла = 0,24-1,2 мкм; Яг = 0,8 -4 мкм; Яр = 0,5-2,14 мкм; Бт = 0,09 - 0,12 мм. При сборке с термовоздействием: Яа = 0,9 - 1,3 мкм; И2 "1,8 — 5,2 мкм; Лр= 1,5-3,1 мкм; Бт - 0,1 - 0,14 мм. Методом селективного отбора выбраны пары «вал-втулка» таким образом, что для продольной запрессовки величина номинального натяга составила 30 мкм, для сборки с термовоздействием - 40 мкм. В ходе эксперимента в режиме реального времени

ФЗОН8Ш33'

Iно

Рисунок 1 — Эскизы экспериментальных образцов

наблюдались диаграммы процесса распрессовки, что позволило оценить изменения силы при действии нагрузки от разрывной установки ИР 5047-50. Характеристики установки позволяют с высокой точностью определить момент срыва посадки и зафиксировать соответствующую осевую силу при распрессовке. Цена единицы наименьшего разряда при индикации нагрузки составляет ЮН. Предел допускаемой погрешности по нагрузке в режиме растяжения - ±1% от измеряемой нагрузки. Предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении перемещения активного захвата - ± 0,5 мм. Значения диапазонов скоростей от 0,1 мм/мин до 500 мм/мин. В экспериментах по распресовке выбрана скорость 2 мм/мин. Анализ диаграмм по распрессовке (рисунок 2) свидетельствует об уменьшении прочности соединения при

увеличении шероховатости поверхностей деталей, что согласуется с результатами более ранних исследований. На рисунке 2 для вала Иг\ = 0,8 мкм, для отверстия Кгг = 3,07 мкм. Зафиксированная пиковая нагрузка при каждом испытании образцов на разрыв соответствует моменту «срыва» посадки и является показателем прочности посадки с натягом при действии осевой нагрузки. Расчетная величина силы распрессовки, полученная по формулам автора диссертации, имеет меньшее

расхождение, чем при классическом методе расчета. Результаты экспериментальных данных по силе распрессовки для образцов, собранных методом продольной запрессовки, при увеличении параметров шероховатости контактных поверхностей приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений силы

Рисунок 2 — Экспериментальная диаграмма силы распрессовки Ра при сборке без термовоздействия

Расчет Расчет Экспери- Относительная погрешность

Р0 по Ра ПО ментальное Классичес- Авторского Авторского

класси- формуле значение Р0 кого метода метода метода рас-

ческой автора расчета к экс- расчета к чета к клас-

формуле перименту эксперименту сическому

8,68 кН 10,45 кН 12,33 кН 29,6 % 15,2 % 20,4 %

8,39 кН 10,12 кН 10,23 кН 18% 1,1 % 20,6 %

8,04 кН 9,65 кН 10,2 кН 21 % 5,4 % 20%

Сравнение разницы значений расчетных натягов и сил распрессовки при классическом методе расчета и авторском позволяет оценить, на сколько процентов изменяется величина силы Р0 при изменении натяга на величину ЛР = 1 мкм. Результаты сравнения представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Влияние расчетного натяга на силу распрессовки

Расчет Др по Расчет Ар по Разница Ар по Разница Р0 по Изменение Р0

классической формуле классической и классической по отношению

формуле, мкм автора, мкм авторской и авторской к Ар= 1 мкм,

формулам, мкм формулам, Н %

25,36 21,7 3,6 1771 5,6

24,52 20,2 4,32 1741 4,8

23,48 16,8 6,68 1610 3

Уменьшение расчетного натяга на величину ДР = 1 мкм приводит к уменьшению силы распрессовки до 5,6 %, что является существенным показателем влияния параметров шероховатости контактных поверхностей деталей на прочность соединения.

При сборке с термовоздействием упругопластические деформации микронеровностей сопрягаемых поверхностей снижают величину расчетного натяга, что также подтверждается экспериментально. Результаты экспериментальных данных по распрессовке образцов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений силы распрессовки при сборке с термовоздействием_

Расчет Р0 Расчет Экспери- Относительная погрешность

по Ро по ментальное Классичес- Авторского Авторского

класси- формуле значение Р0 кого метода метода метода рас-

ческой автора расчета к экс- расчета к чета к клас-

формуле перименту эксперимент сическому

23,36 кН 15,6 кН 18,17 кН 28% 14% 33,2 %

23,36 кН 14,9 кН 16,28 кН 43% 8,4 % 36,2 %

Пятая глава посвящена практическому использованию результатов исследования. На основе полученных автором зависимостей расчетного натяга от технологических условий обработки контактных поверхностей деталей предложена методика определения расчетного и номинального натягов при различных способах сборки, позволяющая обоснованно выбрать посадку в соединении и назначить требования по шероховатости поверхностей деталей. При этом выполняются условия прочности соединения при воздействии крутящего момента и осевой силы на соединение. Алгоритм расчетного определения технологических условий обработки контакгируемых поверхностей представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Алгоритм расчетного определения технологических условий обработки контактируемых поверхностей при выполнении соединений с натягом

В работе не используются средние значения коэффициентов трения в виду их широкого диапазона варьирования. Так, например, рассматривается чистовая токарной обработка стали 45. Параметры шероховатости контактных поверхностей деталей: Яа = 2,5 мкм, Лтах = 14 мкм, Яр = 6 мкм; диаметр сопряжения Ы = 40 мм; длина сопряжения / = 20 мм; твёрдость НВ = 1700 Мн/мм2; контактное давление р = 10,5 МПа. По формулам (9)-(14) произведем расчет. Параметры опорной кривой шероховатости:

v = 2 ■

Яр

-1 = 2-0,5

-1 = 1,4; Ъ = Х„

Яр

= 0,5

Номинальная, контурная и фактическая площади контакта: А,

14

= 1,64.

= я • а? • / = 3,14 • 40 • 20 = 2512 мм2; 1

А =

" НВ

= 25122,4-10,5-

1,64

0,4

0,42

1700

= 343 мм

.р-А НВ

О -Д. -ак

Р

НВ

10,5-2512 1,640'7 -3430'7 -0,02

1700

2-14

(2512-10,5 У'28 .„ 2

х -— =19мм .

I, 1700 )

Расчетное значение коэффициента трения в осевом направлении:

г . - \ 0,71 /,„™\0,58

Л, =0,218. л-

НВ

= 0,218-

19

Г7™Г = 0,,3.

2512; и 0,5 )

Табличное значение коэффициента трения составляет = 0,2, разница с расчетным значением 35% отразится на прочностном расчете соединения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведённый анализ литературных источников показал, что на прочность посадки с натягом в существенной мере влияет величина шероховатости контактных поверхностей деталей, при этом отсутствуют конкретные зависимости, устанавливающие взаимосвязь величины расчетного натяга и параметров шероховатости. Кроме этого при применении различных методов сборки контакт шероховатых поверхностей происходит с различным физическим взаимодействием, что не даёт возможности получить универсальную зависимость определения расчетного натяга от шероховатости поверхности, что подтверждает актуальность исследований в этой области.

2. Технологические условия обработки контактных поверхностей деталей предопределяют параметры шероховатости, поэтому установленные расчетные

зависимости, связывающие величины расчетного и номинального натягов с параметрами шероховатости при различных методах сборки, а также режимами резания, позволяют использовать их в инженерных расчетах.

3. Разработанный алгоритм расчетного определения технологических условий обработки контактируемых поверхностей при выполнении соединений с натягом позволяет определять на этапе конструкторской разработки изделия рациональные параметры шероховатости и условия обработки поверхностей, обеспечивающие требуемую величину прочности соединения.

4. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по влиянию значений параметров шероховатости обработанной поверхности на прочность соединения позволяет судить о достаточной точности расчетных моделей. Относительная погрешность между расчетными и экспериментальными значениями осевой силы при распрессовке не превышает 14 %, что свидетельствует о достаточной точности расчетных моделей, возможности их использования на практике.

5. Предложенная методика определения технологических условий обработки поверхностей деталей при сборке соединения с натягом позволяет выполнить комплексный расчет соединения при различных методах сборки, а разработанная на основе методики программа для ПК обеспечивает рациональность расчета с возможностью вариации параметров шероховатости поверхностей и их технологических условий обработки.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Безъязычный, В. Ф. Технологическое обеспечение качества прессовых соединений [Текст] / В. Ф. Безъязычный, В. М. Федулов // Вестник рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьёва. - № 2 (20). - Рыбинск. - 2011- С. 88 - 92.

2. Безъязычный, В. Ф. К вопросу технологического обеспечения качества соединений деталей при сборке с гарантированным натягом [Текст] / В. Ф. Безъязычный, В. М. Федулов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2012. - №6. - С. 3 3 - 41.

3. Безъязычный, В. Ф. Технологическое обеспечение качества прессовых соединений при сборке с термовоздействием [Текст] / В. Ф. Безъязычный, А. Н. Семёнов, В. М. Федулов // Вестник РГАТУ. - №2 (23) - Рыбинск: РГАТУ, 2012,-С. 152- 156.

4. Безъязычный, В. Ф. Исследование влияния параметров шероховатости на качество прессовых соединений [Текст] / В. Ф. Безъязычный, В. М. Федулов // Справочник, Инженерный журнал. - №4 (193).- Москва: «Издательство машиностроение», - 2013,— С. 39-42.

Публикации в других изданиях

5. Федулов, В. М. Влияние технологических методов обработки и сборки на надежность соединений с натягом [Текст] // В. М. Федулов, В. Ф. Безъязычный, // 64-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль. Ч 1: тез. докл. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ.-460 с.-С. 254.

6. Безъязычный, В. Ф. Применение аппарата математической статистики на примере двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. Ф. Безъязычный, В. М. Федулов // Международные Колмогоровские чтения - IX: сборник статей. -Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2011 г. - 324 с. - С. 80 - 84.

7. Федулов, В. М. Влияние технологических методов обработки и сборки на надёжность соединений с натягом [Текст] / В. М. Федулов // XXXVIII Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. - Москва, МАТИ, 2012. Т.2,256 с. - С. 70.

8. Безъязычный, В. Ф. Влияние параметров шероховатости на качество соединений с натягом [Текст] 1 В. Ф. Безъязычный, В. М. Федулов // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Материалы IV международной научно-технической конференции. В 2-х частях. - Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьёва, 2012. - Ч. 1. - 334 с. - С. 58 - 63.

9. Безъязычный, В. Ф. Влияние технологических условий обработки поверхностей на качество прессовых соединений [Текст] / В. Ф. Безъязычный, В. М. Федулов // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий. Межвузовский научный сборник / Уфимский государственный авиационный технический университет. - Уфа: УГАТУ, 2013. - 218 с. - С. 92 - 96.

10. Заявка 20136282 на регистрацию программы для ЭВМ. Программа расчетного определения величины натяга прессовых соединений с учетом технологических условий обработки контактных поверхностей / Федулов В. М., Безъязычный В. Ф.; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «РГАТУ имени П. А. Соловьева». - приоритет от 09.09.2013.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 22.10.2013. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 85. Заказ 250.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

__Министерство образования и-науки Российской Федерации----

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический

университет имени П. А. Соловьева»

На правах рукописи

04201453516

Федулов Виталий Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАТЯГА В ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЯХ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ д-р техн. наук, проф. Безъязычный В. Ф.

Рыбинск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ_______

Введение........................................................ 4

Глава 1. Анализ ранее выполненных работ по теме диссертации......... 8

1.1 Анализ проблем конкретных видов изделий (типовых соединений), связанных с низкой надёжностью неразборных соединений с натягом. ... 9

1.2 Анализ известных методик расчетного определения величины натяга прессовых соединений с учетом служебного назначения соединения деталей и их конструктивных особенностей.......................... 16

1.3 Анализ известных методик расчетного определения качества прессовых соединений с учетом технологических факторов изготовления деталей соединений.............................................. 24

1.4 Выводы по главе 1..........................................................................................32

1.5 Цель и задачи исследования..........................................................................33

Глава 2. Обеспечение качества неразъёмных соединений с натягом

технологическими мероприятиями....................................................................35

2.1 Обоснование величины натяга с учетом выполняемых функциональных требований....................................... 35

2.2 Обоснование выбора материалов соединяемых деталей в данном исследовании.................................................... 39

2.3 Расчётное определение величины натяга, исходя из способа соединений...................................................... 43

2.3.1 Прессовое соединение без тепловых воздействий на соединяемые детали (продольно-прессовые соединения)........................... 44

2.3.2 Соединение с нагревом и охлаждением соединяемых деталей....... 61

2.3.3 Соединение с натягом, осуществляемое с наложением ультразвуковых воздействий на собираемые детали......... ........... 77

2.4 Выводы по главе 2............................................. 85

Глава 3. Обеспечение качества соединений с натягом обоснованным назначением технологических условий обработки сопрягаемых

поверхностей деталей.......................................-^-¡-^-гт-т^г:—87'

—3.1—Предлагаемая методика технологического обеспечения прочности

прессовых соединений........................................................................................87

3.2 Обоснование выбора метода расчета коэффициентов трения при запрессовке с учетом шероховатости поверхностей собираемых деталей. . 90

3.3 Расчетное определение площади контакта сопрягаемых поверхностей. 92

3.4 Расчетное определение параметров шероховатости контактируемых поверхностей........................................................................................................94

3.5 Алгоритм расчетного определения технологических условий обработки контактируемых поверхностей при выполнении соединения с натягом..................................................................................................................100

3.6 Выводы по главе 3........................................................................................103

Глава 4. Экспериментальная оценка эксплуатационных свойств

неразборных соединений с натягом....................................................................104

4.1 Методика исследования................................................................................104

4.2 Описание стенда для исследования..............................................................105

4.3 Результаты исследования..............................................................................108

4.4 Выводы по главе 4..........................................................................................116

Глава 5. Практическое использование результатов исследования..................118

5.1 Методика определения условий обработки поверхностей деталей при сборке соединения с натягом............................................................................118

5.2 Пример расчетного назначения условий обработки поверхностей деталей при сборке соединения с натягом........................................................127

5.3 Выводы по главе 5..........................................................................................131

Основные результаты и выводы........................................................................132

Список литературы.................... .............................................133

Приложение А. Акт внедрения результатов работы........................................142

ВВЕДЕНИЕ -___-----

Соединения с натягом получили широкое распространение в машиностроении в связи с возможностью передавать большие по величине и различные по направлению нагрузки при сравнительно небольших габаритных размерах, что и обусловило их применение в ответственных узлах деталей машин, работающих продолжительное время в различных условиях нагружения и внешних средах.

Перспективным направлением в развитии машиностроения является повышение качества выпускаемых изделий при минимальных затратах на изготовление, эксплуатацию и утилизацию. Ужесточение требований по экологичности и борьба за ресурсосбережение движет конструкторскими усовершенствованиями, что влечет за собой повышение нагрузок на отдельные элементы и узлы двигателей и сопутствующих агрегатов. Так, для более экономичного расхода топлива приходится существенно увеличивать степень сжатия топлива в камере сгорания, что влечет неизбежные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя и элементы газораспределения. При недостаточной надежности перечисленных узлов может произойти разрушение, при котором стоимость ремонта может достигать половину и более стоимости нового изделия. Поэтому особое значение следует уделять конструкторско-технологическому обеспечению качества соединений с натягом.

Расчет нагрузочной способности соединений с натягом ведётся, в настоящее время, по известным зависимостям Ляме-Гадолина или численными методами, например, методом конечных элементов. Расчетом и проектированием прессовых соединений занимались Л. Т. Балацкий, Г. А. Бобровников, Е. С. Гречищев, А. С. Зенкин, А. А. Ильяшенко и ряд других ученых. Ими были выявлены основные аспекты конструирования и технологии сборки неподвижных соединений с натягом. В развитие теории ультразвуковой сборки соединений с натягом и автоматизации процессов сборки существенный вклад внесли Б. Л. Штриков, М. Г. Кристаль, А. Г. Холодкова, В. Г. Шуваев и др. Процессы, протекающие в зоне контакта поверхностей, уточнение степени влияния

технологических факторов на прочность соединений с натягом остаются мало изученными, что отмечается указанными авторами. Успешное применение соединений с натягом во многом зависит от конструкции и адаптированности к применяемому методу сборки, обоснованного выбора материалов соединяемых поверхностей деталей и расчета геометрических параметров, от технологических условий обработки и факторов процесса сборки. Как показывает опыт, получаемый на практике, результат далеко не всегда соответствует расчетам, что связано с состоянием контактных поверхностей деталей соединений и погрешностью их изготовления. Так как часть факторов учитывается при расчете посадки с натягом, а другую часть учесть в расчетах трудно или невозможно, поэтому в ответственных случаях выбранную в соответствии с расчетом посадку рекомендуется проверять экспериментально. Следовательно, актуальным становится разработка универсальных методов расчета, с возможностью использования автоматизированного расчета на ЭВМ, с учетом технологических условий обеспечения качества соединений с натягом.

Противоречивые данные по рекомендуемым параметрам качества контактных поверхностей деталей усложняет работу конструктора при проектировании, а высокие требования по точности и параметрам шероховатости поверхности приводят к увеличению себестоимости. Поэтому при конструировании соединений с натягом необходимо учитывать технологические условия обработки поверхностей деталей.

Цель работы состоит в обеспечении требуемых значений расчётного натяга в прессовых соединениях тяжело нагруженных деталей машин, собранных различными методами, за счет управления технологическими условиями обработки сопрягаемых поверхностей.

Научная новизна работы заключается в получении расчетных зависимостей для определения величины натяга с учетом параметров шероховатости и технологических условий обработки контактирующих поверхностей, а также алгоритма для её реализации, а именно:

1. Для численного определения нагрузочной способности соединения с натягом установлены зависимости расчетного натяга от параметров шероховатости и технологических условий обработки сопрягаемых поверхностей деталей, учитывающие метод сборки.

2. Разработан алгоритм определения номинального натяга и посадки в соединении, обеспечивающий требуемую прочность, в зависимости от вида сборки и технологических условий обработки сопрягаемых поверхностей деталей.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке теоретических зависимостей, связывающих величину расчетного и номинального натягов с параметрами шероховатости контактных поверхностей и технологическими условиями их обработки для различных методов сборки.

Практическая ценность работы заключается в создании методики определения условий обработки поверхностей деталей при сборке соединения с натягом, позволяющей решить задачу по определению нагрузочной способности прессового соединения при различных способах сборки деталей, с учетом параметров шероховатости контактных поверхностей. Это даёт возможность обоснованно назначить посадку в соединении на стадии проектирования изделия. Разработанная компьютерная программа по автоматизированному расчету параметров соединения с натягом повышает эффективность и сокращает время на разработку конструкторско-технологической документации.

Общая методика исследований. Работа базируется ца научных основах теории контактирования твердых тел, технологии машиностроения, технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя, а также экспериментальных методах исследования влияния параметров качества поверхностного слоя деталей после механической обработки на величину прочности соединений с натягом. При проведении исследований использовались фундаментальные положения физики твердого тела, технологии машиностроения и обработки материалов резанием. Анализ и обработка экспериментальных данных и проверка параметров качества математических зависимостей

производились с использованием программных продуктов - Ма^ой® МаШсаЫ, МюгобоЙ® СШюе Ехсе1.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Математические зависимости расчетного натяга от параметров шероховатости и технологических условий обработки контактных поверхностей при различных методах сборки.

- Методика расчетного определения условий обработки поверхностей деталей при сборке соединений с натягом

Достоверность полученных результатов и выводов основана на использовании в диссертационной работе известных теоретических закономерностей. Предлагаемые в работе теоретические зависимости подтверждаются результатами экспериментальных исследований, выполненных автором и другими исследователями. Эксперименты проводились на универсальной метрологически поверенной разрывной машине ИР 5047-50.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

64-я Региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль, 2011 г.; «Международные Колмогоровские чтения -IX», Ярославль, 2011 г.; XXXVIII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», Москва, 2012г.; Четвёртая международная научно-техническая конференция «Нукоёмкие технологии в машиностроении авиадвигателестроении (ТМ-2012)», Рыбинск, 2012 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий», Уфа, 2013.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Безъязычному В. Ф. за помощь, оказанную при работе над диссертацией.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ—ПО—ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ---

1.1 Анализ проблем конкретных видов изделий (типовых соединений), связанных с низкой надёжностью неразборных соединений с натягом

Соединения с натягом относятся к неразъемным соединениям, а значит напряженным. В результате создания натяга Д между охватывающей деталью (втулка или ступица) с меньшим диаметром отверстия и охватываемой с большим диаметром (вал или ось), на сопрягаемых поверхностях возникают силы трения, препятствующие взаимному смещению деталей. При больших натягах в соединениях, особенно если детали изготовлены из легких сплавов и пластмасс, возникают упругопластические и пластические деформации. Сопрягаемые поверхности могут быть цилиндрическими или коническими (рисунок 1.1).

/ /

С)

I

1 ^

'Яйу/.

Рисунок 1.1- Соединения с натягом с цилиндрической и конической

поверхностями

Существуют несколько методов выполнения таких соединений: продольная запрессовка, поперечная запрессовка (тепловая сборка), гидрозапрессовка, продольная запрессовка с применением вибраций. Анализ применяемости соединений с натягом в различных отраслях машиностроения показывает, что как валы, так и втулки могут иметь различные соотношения внутреннего и наружного диаметров и различные длины сопряжения. Материалы сопрягаемых деталей также могут значительно отличаются по физико-механическим свойствам. Такое

многообразие факторов в ряде случаев порождает проблемы—недостаточйой

надёжности—неразборных соединений с натягом. Способ сборки оказывает существенное влияние на надёжность и в зависимости от него соединения с натягом условно делят на продольно-прессовые и поперечно-прессовые.

В продольно-прессовом соединении одну из сопрягаемых деталей под воздействием осевой силы запрессовывают в другую. Основным преимуществом механической продольной запрессовки является ее высокая производительность. К числу недостатков этого способа сборки относятся: возможность повреждений сопрягаемых поверхностей (риски, задиры), значительное рассеяние значений сил запрессовки и распрессовки, деформации тонкостенных деталей, практически невозможность применения эффективных антикоррозионных покрытий [1].

Применяют продольно-прессовые соединения, главным образом при сборке легконагруженных и не требующих высокой прочности соединений. Необходимое качество соединений при этом методе сборки обеспечивается только при осуществлении ряда подготовительных операций. Сопрягаемые поверхности должны быть тщательно промыты и протерты, на них не должно быть забоин и заусенцев. В процессе запрессовки применяют различные смазочные материалы, предохраняющие поверхности от задиров, уменьшающие коэффициент трения и снижающие необходимую силу запрессовки. В последнее время применяют дисульфидмолибденовый смазочный материал Мо82. Он не только уменьшает до 30 % силу запрессовки, но и предохраняет контактные поверхности от задиров при распрессовке, что имеет существенное значение при повторной сборке [2].

Большое влияние на прочность соединений при продольной запрессовке оказывают погрешности формы сопрягаемых поверхностей, так как при этом уменьшается фактическая площадь контакта деталей. Механическая запрессовка приводит к сглаживанию поверхностей, грубые задиры ухудшают эксплуатационную надежность соединения (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Микрошлиф продольно-прессового соединения

Расчетная величина натяга уменьшается за счет смятия микронеровностей, появляются риски и задиры на сопрягаемых поверхностях, тонкостенные детали подвергаются деформации. При таком методе сборки существенную роль играет шероховатость сопрягаемых поверхностей. По рекомендации [3] должно быть Яа < 1,6 мкм.

Прочность продольно-прессового соединения и сила запрессовки в значительной мере определяются также скоростью выполнения операции; рекомендуемая скорость запрессовки составляет примерно 2 мм/с [2]. Поэтому для качественной сборки продольно-прессовых соединений необходимо правильно выбрать тип пресса и сборочного приспособления. Для запрессовки или распрессовки соединений с большими натягами нужны значительные силы. Таким образом, область применения продольной запрессовки - небольшие по габаритам соединения, работающие при незначительных нагрузках.

В поперечно-прессовых соединениях сопрягаемые поверхности сближают в радиальном к поверхности деталей направлении. Процесс сборки осуществляется методом термовоздействия. Охватывающую деталь (втулку) нагр