автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Исследование нагрузочной способности гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов

На правах рукописи

А

Петров Антон Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ГИДРОПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ДЕТАЛЯМИ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.02 — «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005546639

Ижевск 2013

005546639

Работа выполнена на кафедре «Мехатронные системы» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».

Научный руководитель Абрамов Иван Васильевич - заслуженный

деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Тарасов Валерий Васильевич - доктор технических наук, профессор «Институт прикладной механики УРО РАН», Ижевск Сивцев Николай Сергеевич - доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», Ижевск ОАО «Концерн «Калашников»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» по адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, корп. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на имя учёного секретаря диссертационного совета, факс: 8 (3412) 58-88-57,

Автореферат разослан 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета-у

доктор технических наук, профессор /../jf./ /. Щенятский A.B.

/У Щ

Общая характеристика работы

Развитие различных отраслей машиностроения неразрывно связано с применением современных конструкционных материалов. Для повышения качества, надежности и экономичности изделий машиностроения при условии снижения их материалоемкости и повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло- и хладостойкости широкое применение нашли сплавы на основе титана. Однако особенности физико-механических характеристик титана накладывают ряд требований к применению их в разъемных и неразъемных соединениях деталей машин.

Использование титана в резьбовых, клеммовых соединениях, а также в соединениях с натягом, сформированных механической запрессовкой, ограничивается повышенными фрикционными, адгезионными характеристиками при формировании сопряжения деталей. Исключить негативное воздействие сил трения при запрессовке деталей позволяет термический и гидропрессовый методы сборки. С точки зрения производственно-экономических затрат термозапрессовка менее эффективна в сравнении с гидропрессовым методом, так как коэффициент теплового линейного расширения титана значительно ниже чем у стали, что требует больших энергозатрат. Разработанный Б.Ф. Федоровым и развитый И.В. Абрамовым, К.А. Глуховой, В.Б. Федоровым, Э.В. Соснович и A.B. Щенятским гидропрессовый метод сборки соединений позволяет в процессе сопряжения разделить детали гарантированным слоем масла и осуществить процесс запрессовки в режиме жидкостного трения, что позволяет обеспечить сохранность контактирующих поверхностей. Полученные ими результаты позволяют выдвинуть предположение о том, что сформированное гидропрессовое соединение деталей го титановых сплавов в сравнении с аналогичными по геометрическим параметрам соединениями, из стали и чугуна будет обладать более высокими прочностными характеристиками. Очевидно, что данный эффект обусловлен спецификой физико-механических свойств титановых сплавов и требует их учета при проведении проектных расчетов.

Таким образом, исследование нагрузочной способности (НС) гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов и корректировка методики расчета на прочность являются актуальными задачами рассматриваемой области знаний.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования являются гидропрессовые соединения деталей из титановых сплавов. Предметом исследования являются модели напряженно-деформированного состояния деталей соединений с натягом и метод их расчета.

Цель работы - повышение точности и достоверности расчетов гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов.

Задачи исследования

1. Разработать математическую модель и выполнить анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов, тем самым установить особенности распределения контактного давления по длине сопряжения;

2. Выявить закономерности влияния физико-механических и фрикционных свойств титана на нагрузочную способность соединения с натягом и обосноватькорректировку методики их расчета;

3. Провести экспериментальную проверку адекватности математической модели и уточненной методики расчета соединений с натягом.

Методы исследования

Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты базируются на известных положениях механики твердого деформируемого тела в области упругого деформирования, методе конечных элементов (МКЭ). При обработке данных экспериментальных исследований НС гидропрессовых соединений использовались методы математической статистики.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных положений классическоймеханики контактного взаимодействия,методов математической статистики при обработке данных вычислительных и натурных экспериментов. Обоснованность результатов подтверждается экспериментальной

проверкой теоретических исследований, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента, воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, сопоставлением промежуточных результатов расчетов с результатами аналитическихрасчетов, с опытными данными других авторов, а также апробацией полученных результатов в производственных условиях.

На защиту выносятся:

1. Модель НДС деталей соединений с натягом из титановых сплавов, обосновывающая характер уточнения расчетов НС.

2. Описание закономерностей влияния физико-механических характеристик титановых сплавов на НС гидропрессового соединения, позволяющих проводить объективные сравнения с другими соединениями и материалами их деталей.

3. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность математической модели и НС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов на осевой сдвиг.

4. Рекомендации для корректировки методики расчета гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов с учетом уточненных параметров.

Научная новизна

1. В результате решения контактной задачи и задачи о НДС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов методом конечных элементов установлено, что в диапазоне стандартных значений натягов концентрация напряжений у торцев носит по сравнению со стальными деталями менее выраженный характер по величине и зона концентрации более протяженная, что оказывает положительное влияние на НС соединения.

2. Впервые получены численным моделированием и экспериментально подтверждены данные о НДС и НС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов, а также научно обоснована корректировка методики расчета

НС с учетом использования закономерности изменения коэффициента трения в зависимости от величины контактного давления.

3. Для соединений с деталями из титановых сплавов выявлено значительное увеличение доли сил трения в зонах концентрации напряжений, что позволило выдвинуть и подтвердить предположение о том, что при определенных натягах и геометрии возможно разрушение одной из деталей соединения при сохранении целостности самого сопряжения.

Практическая значимость работы Разработанные математические модели гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов и усовершенствование их расчетов позволяют определить требуемые технические параметры соединения при проектировании, а также более точно оценить НС соединения в условиях эксплуатации. Предложенные рекомендации позволяют применять в соединении с натягом различные комбинации материалов охватываемой и охватывающей деталей, а также снизить габариты деталей по сравнению со стальными.

Реализация результатов работы Результаты диссертационной работы используются при расчете гидропрессовых соединений в механизме крепления ствола для нанесения в дальнейшем гальванопокрытия. Применение разработанной методики позволяет исключить использование дополнительных приспособлений крепления и герметизации казенной части ствола. Это позволяет снизить материалоемкость и трудозатраты процесса гальванизации.

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах кафедры «Мехатронные системы», научно-исследовательских конференциях студентов, магистрантов и аспирантов факультета «Управления качеством» ИжГТУ (2010 -2013г.), на выставке-сессии инновационных проектов (2012г.).

Публикации. Опубликовано 3 статьи, 2 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Соответствие результатов диссертации паспорту научной специальности

В соответствии с формулой специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» - наука, разрабатывающая теорию, методы расчетов и проектирования машин, систем приводов, узлов и деталей машин независимо от их отраслевой принадлежности и назначения с целью совершенствования существующих и создания новых машин и механизмов высокой производительности, долговечности и надежности, технологичности, низкой материалоемкости и себестоимости, обладающих конкурентоспособностью на мировом рынке.

В диссертационном исследовании установлена закономерность влияния физико-механических характеристик материала на НС соединения деталей с натягом, предложена уточненная методика расчета.

Соответствие диссертации области исследования специальности

Отраженные в диссертации научные результаты соответствуют областям исследования специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» (пункт 5) - «Повышение точности и достоверности расчетов объектов машиностроения; разработка нормативной базы проектирования, испытания и изготовления объектов машиностроения».

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения,4 глав, заключения, библиографического списка.

Краткое содержание работы

Во введении диссертационной работы обоснована актуальность, определен объект исследования, сформулированы цель и научная новизна, выбраны методы исследования, показана практическая значимость работы, представлена краткая аннотация работы по главам.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса о применении титановых сплавов в конструкциях различных объектов машиностроения, в том числе в соединениях с натягом, рассмотрена общая характеристика соединений с натягом и методы их расчета.

Анализ физико-механических свойств титановых сплавов и существующих методов сборки соединений с натягом позволил обосновать выбор гидропрессового метода сборки как удовлетворяющего требованиям качества и работоспособности соединений с натягом деталей из титановых сплавов.

В результате обзора отечественных и зарубежных научных публикаций и диссертаций по тематике исследования была установлена актуальность проблемы достоверного инженерного расчета гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе диссертационного исследования были проведены теоретическое исследование и моделирование НДС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов.

Методом конечных элементов (МКЭ) была решена контактная задача, задачи о НДС и НС для гидропрессовых соединений с учетом физико-механических и фрикционных характеристик титановых сплавов.

Для оценки прочностных характеристик деталей из титановых сплавов и нагрузочной способности в исследовании проводится моделирование НДС и НС гидропрессовых соединений при различной комбинации материалов (сталь-сталь, сталь-титан, титан-титан). Геометрия деталей соединения представлена на рисунке 1.

&, бтулка

1*30°

ЙГ •«к

бал

УЖ7.

I \

100

I

& I

Со'

16x15"

125

Рисунок ) - Схема гидропрессового соединения Исследования проводились для соединений с длиной сопряжения / от 8 до 15 мм, натягом N от 6 до 21 мкм. В работе применялись два вида материалов - сталь 45

и титановый сплав ОТ-4 (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики материалов образцов

Материал <тт, МПа ств, Мпа Е, МПахЮ5 р, кг/м3

Сталь 45 450 750 2 0.28 7826

Титан ОТ - 4 500 750 1.12 0.32 4550

Для анализа НДС соединения использовалась сетка из 81384 объемных элементов. Длина ребра элемента сетки составляет 1 мм. В качестве элементов применяются 20-узловые объемные 2-го порядка и 8-и узловые контактные элементы. Используемая сеточная модель обеспечивает приемлемую точность описания геометрии детали и получения адекватной конечно-элементной (КЭ) модели. В контактной зоне производится сгущение сетки (длина ребра 0.5 мм). Граничные условия представлены закреплениями торца соединения, ограничивающими вращение деталей относительно осей X, У, г и перемещение вдоль оси г, торца втулки, лежащего в плоскости ХОУ и свободного торца вала. Конечно-элементная модель соединения представлена на рисунке 2.

10,00 30,00

Рисунок 2 - Конечно-элементная модель гидропрессового соединения

Фрагменты результатов моделирования НДС при натяге 21 мкм распределения интенсивности напряжений и контактного давления по соединения представлены на рисунке 3.

а)

в виде деталям

б)

Рисунок 3 - Распределение интенсивности напряжений в соединении: а - сталь - сталь; б - титан - сталь; в -сталь - титан; г - титан - титан

Из графиков видно, что при одинаковой величине натяга распределение интенсивности напряжений неравномерно. Наибольшие значения достигаются в зонах концентрации напряжений у торцов вала и втулки, наименьшие - у центра вала

и наружной поверхности втулки.

При одинаковой геометрии и натяге интенсивность напряжений находится в одних и тех же зонах, но имеет разные значения, максимальное значение интенсивности напряжений у торца вала с фаской 15°: для соединения сталь - сталь 447,73 МПа, титан — сталь 378,02 МПа, сталь - титан 381,73 МПа, титан - титан 288,66 МПа. Сравнивая графики изолиний интенсивности напряжений, можно видеть, что напряженность деталей из титановых сплавов при прочих равных условиях на 10- 35% ниже, чем у аналогичных стальных деталей.

Вычисление НС гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов проводилось в условиях приложенных нагрузок - осевой силы и крутящего момента.

Нагрузочная способность соединения в осевом направлении Рр рассчитывается по формуле

Pp = Pkndlf,H. (1)

Аналогично, передаваемый крутящий момент Мкр определяется

Mkp=0.5Pknd2lf,U-M, (2)

где Рк- давление в зоне контакта, Па; d - диаметр сопряжения, м; I - длина зоны запрессовки, м; /- коэффициент трения.

В расчетах приняты следующие значения /стшь-сталь=0, ¡5, /титан-стшь^О.З,

JmumaH-munwH~0,5

Фрагменты значений расчетных параметров осевой силы и крутящего момента при натяге 21 мкм представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчетные значения осевой силы и крутящего момента

Соединение с натягом Рр, кН М^, Н м

Вал Втулка

Сталь Сталь 8,76 43,8

Сталь Титан 11,24 56,19

Титан Сталь 14,5 72,53

Титан Титан 16,49 82,43

Было установлено, что инженерный метод расчета не отображает изменение коэффициента трения в зависимости от величины контактного давления (рисунок

4).

400

ДАВЛЕНИЕ, КГС/С.М2

-Титан — Сталь

Рисунок 4 - Фрагмент графика зависимости коэффициента трения от контактного давления Из рисунка 4 следует, что при различных контактных давлениях значения коэффициента трения для разных контактных конечных элементов будут различными. Общеизвестно, что для стальных образцов в зоне концентрации напряжений коэффициент трения будет меньше. Однако в работах Р.В. Робертсона и P.C. Оуэнса (Тонкопленочная смазка в парах титан-титан, титан-сталь, 1963г., вып.6, №6, с. 456) по исследованию влияния удельной нагрузки на коэффициент трения в титановых сплавах было установлено, что во фрикционных узлах при увеличении удельной нагрузки значение коэффициента трения возрастает.

Предлагаемая в диссертационной работе методика расчета НС заключается в том, что в модели МКЭ длина сопряжения контактных поверхностей разбивается на отрезки, равные длине ребра элемента - 0,5 мм (рисунок 6). По формуле:

р _ <3) i'ki - 2 '

где / -номер элемента, определяется расчетное значение контактных давлений на цилиндрической поверхности сопряжения вала и втулки длиной равной длине, ребра элемента, как среднее значение контактных давлений на поверхности двух смежных элементов.

По найденному значению контактного давления Рк. на длине элемента в соответствии с графиком на рисунке 4 определяется уточненное значение коэффициента трения на каждом отрезке по длине сопряжения.

Распределение давления по длине контакта поверхностей неравномерно. У торца наблюдается концентрация напряжений, вследствие этого значения контактных давлений увеличиваются. На рисунке 5 представлена диаграмма распределения контактного давления по длине запрессовки соединения с натягом 2 1мкм. При этом зона повышенных контактных давлений у образцов с деталями из титана более протяженна по сравнению со стальными (до 40%).

400

350

300

я с:

5

аГ 250

К

V

с;

(и о

X

§ 150

100

50

0

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 Длина сопряжения, мм

Сталь - Сталь

Титан-Сталь

Сталь-Титан

Титан-Титан

Рисунок 5 - Зависимость контактных давлений от длины запрессовки

Именно в зонах повышенных контактных давлений имеет место эффект увеличенной нагрузочной способности для соединений с деталями из титановых сплавов.

В расчете осевой силы и крутящего момента их величины находятся как сумма элементарных сил и моментов на каждом участке с соответствующим коэффициентом трения:

Рр= ЯРк^Ми Н, (4)

Мкр=0,5£Рк1 пЛ21&,Я-и. (5)

Результаты расчета НС соединения по существующей (СМ) и предлагаемой методике (ПМ) при натяге 21 мкм приведены в таблице 3.

Таблица 3- Результаты вычислительного эксперимента

Образцы, вал- Осевая сила, кН Расхождение, Крутящий момент, Н м Расхождение,

вгулка СМ ПМ % СМ ПМ %

Сталь- 8,48 7,87 -7 42,86 39,34 -8

сталь

Сталь- 10,97 13,76 20 54,64 68,74 20,5

титан

Титан- 14,32 16,26 12 71,54 81,24 12

сталь

Титан- 15,3 21,13 27,5 80,07 105,58 24

титан

Из таблицы 3 видно, что для соединения с натягом деталей из титановых сплавов существующая методика (СМ) расчета на 15 - 28% занижает значения нагрузочной способности. Кроме того, для гидропрессовых соединений со стальными деталями расчет по общепринятой методике завышает по сравнению с предлагаемой методикой (ПМ) нагрузочную способность. Для соединений с комбинированным сочетанием материалов сталь-титан, титан-сталь расчет по ПМ

дает повышенные значения НС по сравнению с СМ, что объясняется влиянием физико-механических и фрикционных свойств титановых сплавов. В гидропрессовых соединениях с деталями из титановых сплавов вычисленные по ПМ значения НС по сравнению с СМ на 28 % выше, и в тоже время значения НС по сравнению с соединениями из стали более чем в 3 раза выше.

В третьей главе представлены результаты нескольких серий экспериментов, подтверждающих данные теоретических исследований. Для экспериментальных исследований изготовлено 48 образцов (рисунок 6), по 3 для каждой комбинации материалов и натягов.

Рисунок 6 - Образец экспериментальный в сборе

Сборка соединения проводилась гидропрессовым методом со скоростью 10 мм/мин. Для достижения эффекта жидкостного трения в системе в зависимости от величины натяга создавалось давление рабочей жидкости (до 110 МПа), достаточное для образования гарантированного зазора. При этом соблюдалось условие невозникновения пластических деформаций в сопрягаемых деталях. Запрессовки проводились на специально разработанной экспериментальной установке (рисунок 7), основными элементами которой являются: обрабатывающий центр ОЦ1И22 с системой ЧПУ, модуль формирования

соединения, маслостанция высокого давления НСВД-4, измерительный комплекс с двумя цифровыми манометрами ДМ-5002Г, датчиком линейного перемещения и персональным компьютером.

1 - шток; 2 - вал; 3 - втулка; 4 - корпус; 5 - гидроцилиндр; 6 - станина; 7 -

насос высокого давления; ЦД - цифровой манометр В первой серии экспериментов для подтверждения адекватности математической модели НДС были проведены измерения радиальных

перемещений на наружной поверхности втулки до и после гидрозапрессовки. Замеры производились путем обкатывания на оптическом измерительном комплексе гоПегУепШпоп 600 и дублировались на измерительном комплексе прецизионного станка AgietronHS 2 (рисунок 8).

Рисунок 8 - Измерение экспериментального образца: а -схема измерения детали до запрессовки; б - запрессованное соединение Для измерения были определены контрольные расстояния от торца втулки.

В таблице 4 представлен фрагмент результатов измерения и расчетных данных математической модели при длине запрессовки 10 мм и натяге 21 мкм.

Таблица 4 - Радиальные перемещения на наружной поверхности

Комбинация Радиальные перемещения, мкм Средние

материалов 2о11егУепШг. Agietron Мат. модель значения

вал - втулка 600 ГО 2 А^УБ расхождении, %

3,4 3,5 3,69 7,9

Сталь - сталь 2,8 2,9 2,93 4,4

1,6 1,7 1,68 4,8

3 3 3,02 0,7

Титан - сталь 2,1 2,3 2,27 7,5

1,4 1,3 1,3 0

Продолжение таблицы 4

4,6 4,5 4,23 8,7

Сталь - титан 3,6 3,4 3,36 7,1

1,8 1,8 1,97 8,6

3,7 4 3,78 2,1

Титан — титан 3 2,9 2,87 4,5

1,7 1,6 1,67 1,8

По результатам серии экспериментов было установлено расхождение в определении радиальных перемещений не более 10 % по расчетным данным МКЭ

и данным, полученным с контрольно-измерительных машин, что свидетельствует о достоверности математической модели о деформированном состоянии. Аналогично можно судить о достоверности предложенной модели для напряженного состояния, так как распределение внутренних напряжений в соединение в области упругих деформаций соответствует распределению перемещений узлов конечно-элементной модели.

Нагружение осевой силой проводилось на разрывной машине Р-5, предназначенной для испытания образцов из металлов на растяжение ГОСТ 149773. Результаты экспериментов представлены на рисунке 9.

2 1

О -

6 10 15 31

радиальный натяг, мкм

— — Расчет по СМ ...... Модель Мкз по ПМ Эксперимент

б) ^

о -

6 10 15 21

радиальный натяг, мкм

— — Расчет по СМ ...... Модель Мкэ поПОД —"Эксперимент

Рисунок - 9 - Графики зависимости осевой силы от величины натяга: а — стальной вал - стальная втулка, б - титановый вал - титановая втулка Проведенными натурными экспериментами подтверждена адекватность математической модели расчета НС гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов с погрешностью не более 11%, а также доказана необходимость учета при прочностных расчетах влияния физико-механических и фрикционных характеристик титановых сплавов на НС гидропрессовых соединений.

В четвертой главе представлена практическая апробация результатов исследования. На предприятии «Концерн «Калашников» была внедрена методика расчета гидропрессовых соединений в механизме крепления ствола для нанесения в дальнейшем гальванопокрытия (рисунок 10). Определение НДС и НС проводилось с учетом сложной формы титанового корпуса и физико-механических свойств титана ВТ 5.

Рисунок 10 - Схема механизма крепления ствола: 1 - корпус титановый, 2 - казенная часть ствола, 3 — анод Было внесено изменение конструкции в титановом корпусе, в котором производится запрессовка казенной части ствола гидропрессовым методом. Данное технологическое решение обеспечивает требуемую НС и герметичность соединения во время процесса гальванизации и позволяет избежать протечки электролита на наружную часть ствола.

Результаты исследования

1. Несмотря на все более широкое распространение титановых сплавов в машиностроительных конструкциях, отсутствуют какие-либо сведения об их применении в соединениях с натягом для передачи осевых нагрузок и крутящих моментов.

2. Установлено, что основным препятствием на пути применения титановых сплавов в соединениях с натягом является не только отсутствие апробированных технологий их сборки, но и адекватных методик расчета нагрузочной способности.

3. Физико-механические свойства титана и его сплавов, а именно: модуль упругости, адгезионная характеристика, склонность к возникновению задиров на контактных поверхностях, высокий по сравнению со сталями

коэффициент трения и его чувствительность к уровню контактных давлений оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние деталей соединения с натягом и его нагрузочную способность.

4. Анализ методов и технологий сборки соединений с натягом в машиностроительном производстве показал перспективность гидропрессовой сборки, как обеспечивающей высокое качество собираемых соединений, так и сохранность сопрягаемых поверхностей. Корректировка методики расчета соединений с натягом с деталями из титановых сплавов с учетом их физико-механических характеристик и технологии сборки соответствует пункту 5 области исследования специальности 05.02.02 -«Машиноведение, системы приводов и детали машин».

5. Моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния деталей соединений с натягом с различными сочетаниями материалов (сталь-титан, титан-сталь, титан-титан, сталь-сталь) показало, что при равных геометрических размерах и натягах интенсивность напряжений в зонах их концентрации у торцев вала и втулки для титановых сплавов ниже (до 30%), а протяженность их зон больше (до 15%). Адекватность модели НДС подтверждена хорошей сходимостью измерений деформированного состояния (погрешность не превышает 12%). Очевидно, такой результат объясняется характеристиками упругости титана. Тем не менее, полученный результат свидетельствует о более благоприятном восприятии деталями из титановых сплавов циклических на1рузок.

6. Корректировка методики расчета нагрузочной способности, заключающаяся в определении сил трения на элементарных цилиндрических площадках с учетом влияния величин контактных давленийна коэффициент трения, не только подтверждена результатами экспериментов по определению нагрузочной способности гидропрессовых соединений, но показала высокую, более чем в 3 раза, нагрузочную способность соединений из титана по сравнению со стальными.

7. Апробация результатов исследования, проведенная на предприятии «Концерн «Калашников», позволила снизить количество бракованных деталей при гальванизации, а также уменьшить трудозатраты при базировании ствола в установке.

Публикации по теме диссертации

1. Абрамов И. В. Влияние физико-механических характеристик титановых сплавов на напряженно-деформированное состояние и несущую способность соединения с натягом / И. В. Абрамов, А. В. Петров, // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2013. - №2, - С. 19-22.

2. Абрамов А. И. Гидропрессовые соединения с деталями из титановых сплавов / А. И. Абрамов, И. В. Абрамов, А. В. Петров, А. В. Романов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2013. - №6, -С. 28-32.

3. Experimental plant for interference fit disassembling / I. V. Abramov, A. I. Abramov, A. N. Sinitsyn, V. V. Sinitsynaand, A.V. Petrov// MECHATRONIKA 14th International Symposium 2011. P. - 90 - 92.

4. Синицын A. H. Установка для разборки соединений с натягом [Электронный ресурс] / А. Н. Синицын, В. В.Синицына, А. В. Петров// Сборник инновационных проектов. - Ижевский государственный технический университет, 2011. - Ноябрь-декабрь. - 1 электрон.опт. диск (CD-ROM).

В редакции авторов

Подписано в печать 22. 11.13. Усл. печ. л. 1,4. Заказ № 363. Тираж 100 экз.

Издательство Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени

М. Т. Калашникова»

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ГИДРОПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ДЕТАЛЯМИ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали

машин

На правах рукописи ПЕТРОВ АНТОН ВЛАДИМИРОВИЧ

04201455632

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ

доктор технических наук, профессор Абрамов Иван Васильевич

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Анализ состояния вопроса о применение титановых сплавов 9 в соединениях с натягом

1.1. Общая характеристика соединений с натягом. Методы расчета 9

1.2. Методы формирования соединений с натягом 14

1.3. Физико-механические свойства титановых сплавов. 26 Обоснование метода сборки деталей из титановых сплавов, соединенных с натягом

1.4. Постановка задачи исследования 31

2. Теоретическое исследование и моделирование НДС 32 соединений с натягом деталей из титановых сплавов 2.1. Моделирование НДС соединений с натягом деталей из 32 титановых сплавов

2.1.1. Выбор геометрических характеристик 42

2.1.2. Порядок проведения численного моделирования 43 2.2. Исследование влияния физико-механических характеристик на 44 напряженно-деформированное состояние соединения с натягом деталей из титановых сплавов

2.2.1. Распределение напряжений в деталях соединения с натягом 45

Выводы 71

3. Экспериментальное исследование нагрузочной способности 72 гидропрессовых соединений деталей из титановых сплавов

3.1. Методика проведения эксперимента 72

3.1.1. Выбор геометрии деталей соединения 72

3.1.2. Выбор варьируемых факторов 74

3.2. Подготовка и выполнение эксперимента 74 3.2.1. Сборка соединения с натягом 79

3.2.2. Проведение первой серии экспериментов 80

3.2.3. Проведение второй серии экспериментов 83 Выводы 94 4. Практическое применение результатов исследования 98

4.1. Применение результатов исследования в механизме крепления 98 ствола

4.1.1. Анализ существующей конструкции 9 8

4.1.2. Построение рабочих чертежей элементов механизма 102 крепления

4.1.3. Моделирование НДС и НС соединения деталей 104

4.2. Проектирование приспособления для гидрозапрессвоки 107

4.3. Разработка рекомендации для реализации процесса 109 гидрозапрессвоки ствола в механизме крепления

Выводы 110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111

Библиографический список 113

ПРИЛОЖЕНИЯ 123

Приложение А. Акт внедрения 123

Приложение Б. Радиальные перемещения на наружной 124 поверхности втулки

Приложение В. Значения осевой силы 125

Введение

Развитие различных отраслей машиностроения неразрывно связано с применением современных конструкционных материалов. Для повышения качества, надежности и экономичности изделий машиностроения при условии снижения их материалоемкости и повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло- и хладостойкости широкое применение нашли сплавы на основе титана [54]. Технологичность титановых сплавов в металлургическом и машиностроительном производствах достаточна для изготовления практически любых деталей и узлов [63].

Однако особенности физико-механических характеристик титана накладывают ряд требований к применению их в разъемных и неразъемных соединениях деталей машин. Так, в качестве материала для крепежных деталей широкое распространение получил высокопрочный титановый сплав марки ВТ 16, применяются также сплавы марок ВТ 14, ВТЗ-1, ВТ5. Наиболее существенное значение имеют вопросы свинчиваемости титанового крепежа, так как коэффициент трения при этом нестабилен и заедания в резьбе не исключаются. Использование титана в клеммовых соединениях также ограничивается повышенными фрикционными характеристиками при формировании сопряжения деталей [46]. Вопрос обеспечения работоспособности титана в соединениях с натягом различных машиностроительных конструкций может быть успешно решен применением методов сборки, исключающих повреждение сопрягаемых поверхностей в виде заедания, задиров и т. п [84, 89]. Исключить негативное воздействие сил трения при запрессовке деталей позволяют термический и гидропрессовый методы сборки. С точки зрения производственно-экономических затрат термозапрессовка менее эффективна в сравнении с гидропрессовым методом, так как коэффициент теплового линейного расширения титана достаточно низкий, что требует больших энергозатрат.

Разработанный Б.Ф. Федоровым и развитый И. В. Абрамовым, В. Б

Федоровым, К. А. Глуховой, Э. В. Соснович и А. В. Щенятским

4

гидропрессовый метод сборки соединений позволяет в процессе сопряжения разделить детали гарантированным слоем масла и осуществить процесс запрессовки в режиме жидкостного трения. Полученные ими результаты позволяют выдвинуть гипотезу о том, что сформированное гидропрессовое соединение деталей из титановых сплавов в сравнении с аналогичными по геометрическим параметрам соединениями из стали и чугуна обладает более высокими прочностными характеристиками. Очевидно, что данный эффект обусловлен спецификой их физико-механических свойств, а именно: модулем упругости, адгезионной характеристикой, склонностью к возникновению задиров на контактных поверхностях, высоким по сравнению со сталями коэффициентом трения и его чувствительностью к уровню контактных давлений - все это требует учета при проведении проектных расчетов.

Наиболее широкое на сегодняшний день распространение получила теория расчета соединений Лямэ - Гадолина, основанная на решении упругой задачи о толстостенной трубе для плоского напряженного состояния. Однако инженерные расчеты деталей на прочность, выполненные с использованием зависимостей Лямэ, не отображают неравномерность распределения контактного давления и коэффициента трения в соединении с натягом по длине сопряжения, а следовательно, не дают адекватной оценки нагрузочной способности (НС) соединения с натягом.

Исследование нагрузочной способности гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов и корректировка методики расчета на прочность являются актуальными задачами рассматриваемой области знаний.

Объектом исследования диссертационной работы являются гидропрессовые соединения деталей из титановых сплавов. Предметом исследования являются модели напряженно-деформированного состояния деталей соединений с натягом и метод их расчета.

Целью работы является повышение точности и достоверности расчетов гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель и выполнить анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов, тем самым установить особенности распределения контактного давления по длине сопряжения.

2. Выявить закономерности влияния физико-механических и фрикционных свойств титана на нагрузочную способность соединения с натягом и обосновать корректировку методики их расчета.

3. Провести экспериментальную проверку адекватности математической модели и уточненной методики расчета соединений с натягом.

Научная новизна:

1. В результате решения контактной задачи и задачи о НДС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов методом конечных элементов установлено, что в диапазоне стандартных значений натягов концентрация напряжений у торцев носит по сравнению со стальными деталями менее выраженный характер по величине и зона концентрации более протяженная, что оказывает положительное влияние на НС соединения.

2. Впервые получены численным моделированием и экспериментально подтверждены данные о НДС и НС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов, а также научно обоснована корректировка методики расчета НС с учетом использования закономерности изменения коэффициента трения в зависимости от величины контактного давления.

3. Для соединений с деталями из титановых сплавов выявлено значительное увеличение доли сил трения в зонах концентрации напряжений, что позволило выдвинуть и подтвердить предположение о том, что при

определенных натягах и геометрии возможно разрушение одной из деталей соединения при сохранении целостности самого сопряжения.

Методы исследования.

Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты базируются на известных положениях механики твердого деформируемого тела в области упругого деформирования, методе конечных элементов (МКЭ). При обработке данных экспериментальных исследований НС гидропрессовых соединений использовались методы математической статистики.

Практическая значимость работы.

Разработанные математические модели гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов и усовершенствование их расчетов позволяют определить требуемые технические параметры соединения при проектировании, а также более точно оценить НС соединения в условиях приложенных нагрузок. Предложенные рекомендации позволяют применять в соединении с натягом различные комбинации материалов охватываемой и охватывающей деталей, а также снизить габариты деталей по сравнению со стальными.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса о применении титановых сплавов в конструкциях различных объектов машиностроения, в том числе в соединениях с натягом, рассмотрена общая характеристика соединений с натягом и методы их расчета.

Анализ физико-механических свойств титановых сплавов и существующих методов сборки соединений с натягом позволил выбрать гидропрессовый метод сборки как удовлетворяющий требованиям качества и прочности соединений с натягом деталей из титановых сплавов.

Была установлена актуальность проблемы достоверного инженерного расчета гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе диссертационной работы проведены теоретическое исследование и моделирование НДС и НС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов методом конечных элементов (МКЭ).

В третьей главе представлены результаты нескольких серий экспериментов, подтверждающих данные теоретического исследования нагрузочной способности соединений с деталями из титановых сплавов и перспективности их применения в узлах различных машин.

В четвертой главе изложена практическая апробация результатов теоретического исследования.

В заключении представлена общая характеристика работы и сделаны основные выводы по результатам диссертации.

На защиту выносятся:

1. Модель НДС деталей соединений с натягом из титановых сплавов, обосновывающая характер уточнения расчетов НС.

2. Описание закономерностей влияния физико-механических характеристик титановых сплавов на НС гидропрессового соединения, позволяющих проводить объективные сравнения с другими соединениями и материалами их деталей.

3. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность математической модели НДС и НС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов на осевой сдвиг.

4. Рекомендации для корректировки методики расчета гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов с учетом переменного по длине сопряжения контакта давления и связанного с ним коэффициента трения.

1 Анализ состояния вопроса о применении титановых сплавов в

соединениях с натягом

На современном этапе глубоко и в полной мере проведены теоретические исследования соединений с натягом применительно к стальным деталям [21]. Основным достижением последних лет является широкое применение метода конечных элементов для расчетов и анализа напряженно -деформированного состояния деталей сложной формы, соединенных с натягом [19, 80]. Однако применение титановых сплавов накладывает ряд особенностей на конструкцию и расчет соединений с натягом, поскольку физико-механические и фрикционные свойства титановых сплавов существенно отличаются от стальных. Влияние этих особенностей и степень их изученности является необходимым этапом диссертационной работы. 1.1 Общая характеристика соединений с натягом. Методы расчета Соединение деталей с гарантированным натягом относится к соединениям, передающим рабочие нагрузки за счет сил трения между валом и отверстием. Сопрягаемые поверхности могут быть, как правило, цилиндрическими и коническими [21].

Преимущества конических соединений по сравнению с цилиндрическими состоят в том, что натяг у них поддается регулированию и более точному измерению и они допускают демонтаж и неоднократную сборку без заметных повреждений сопрягаемых поверхностей [58]. Однако для конических соединений необходима более высокая точность механической обработки, от которой зависит совпадение геометрических параметров конических элементов вала и втулки. Недостатком цилиндрических и конических соединений с натягом является невозможность допущения даже однократной перегрузки их, что приводит к значительным повреждениям сопрягаемых поверхностей. При проектировании соединений важно иметь точные данные по предельным и действующим на них нагрузкам, что в сочетании с устанавливаемым запасом прочности обеспечит необходимую надежность.

Кроме того, посадка втулки вызывает концентрацию напряжений у вала, снижающую его предел выносливости [3].

На рисунке 1 показано соединение деталей с натягом сложной формы.

Охватываемая деталь

Охватывающая

деталь

Рисунок 1 — Формирование соединения с натягом: а - процесс запрессовки; б - сформированное соединение; У^ап - сила запрессовки; Рк контактное давление; 5 - натяг в соединении

Инженерные расчеты деталей соединения на прочность выполняют с использованием зависимостей Лямэ [7, 33]. Среднее давление между соединяемыми элементами, изготовленными из различных материалов, определяют по формулам:

Р ~ й(С1/Е1+С2/Е2) '

где 5 - натяг в соединении; а? - наружный диаметр вала; ¿/о - диаметр внутреннего отверстия вала, с1\ - наружный диаметр втулки; Е\, Ег - модули упругости материалов охватываемой и охватывающей деталей; |ц, ¡12 -коэффициенты Пуассона.

При изготовлении втулки и вала из одного материала

— Е5 И"»

р ~ й{сх+с2) ' 1 }

Контактное давление приводит к возникновению нормальных радиальных

аг и окружных о, напряжений в деталях (рисунок 2). В охватывающей детали

наибольшие окружные напряжения растяжения сг1 = р возникают у

внутренней поверхности. В охватываемой детали наибольшие окружные

2(сг/сг1)2

напряжения сжатия стс = р ^ ^ ^ также находятся у внутренней поверхности. Наибольшие радиальные сжимающие напряжения ат = - р находятся на контактирующих поверхностях охватывающей и охватываемой деталей. Наиболее напряженным местом является внутренняя поверхность

охватывающей детали, где по теории наибольших касательных напряжений

2 р

Рисунок 2 - Распределение напряжений в деталях соединений Для расчета деталей в упругой области предусматривают [69],что

(4)

где егс - окружные напряжения.

Нагрузочная способность соединения с натягом в основном зависит от размера натяга, который принимается в соответствии с выбранной посадкой, установленной стандартной системой допусков и посадок [9, 25, 36].

Взаимная неподвижность деталей цилиндрического соединения обеспечивается соблюдением следующих условий [3, 32]. При нагружении соединения осевой силой Т7 должно быть

Р < тт•

Откуда требуемое давление на поверхности контакта

(5)

(6)

При нагружеиии соединения крутящим моментом Мкр необходимо, чтобы

тт й21/р 2

(7)

При нагружении соединения одновременно осевой силой Р и крутящим моментом Г должно быть

где /- коэффициент трения в соединении.

Из-за погрешностей изготовления фактические давления на отдельных участках сопрягаемых поверхностей могут быть значительно выше, чем определенные по формуле (1). В соответствии с этим локальные пластические деформации возникают раньше, чем предусматривается расчетом [56, 77]. Однако эти деформации проникают лишь на небольшую глубину детали. Условие (2) следует отнести к распространению пластических деформаций на глубину, соизмеримую с величиной натяга. В том случае, если при формировании соединения возможны заметные пластические деформации, следует учитывать, что несущая способность соединения может изменяться

Считается [2], что в зависимости от величины натягов степень снижения прочности А = 26г — 5/бт, где 8Г - натяг, соответствующий моменту возникновения текучести материала охватывающей детали, 5 действительный натяг. Пределы использования указанных зависимостей ограничиваются значениями б = (1... 1,5)8Т.

Следует учесть, что расчет соединения с натягом на основе метода Лямэ — Гадолина использует допущение - постоянство контактного давления, а следовательно, и коэффициента тре