автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Образование резьбовых соединений деформирующими крепежными элементами с нерегулярной геометрией профиля посадочных концов

У ~ V V, ^

/

Читинский государственный технический университет

На правах рукописи

ГРУШЕВА НАТАЛЬЯ НИКОЛАЕВНА

ОБРАЗОВАНИЕ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИИ ДЕФОРМИРУЮЩИМИ КРЕПЕЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ С НЕРЕГУЛЯРНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ПРОФИЛЯ ПОСАДОЧНЫХ КОНЦОВ

05.02.08 - "Технология машиностроения"

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент С.Я. Березин

Научный консультант

доктор технических наук, профессор,

академик РАН

В.Е. Шатерников

ЧИТА-1999

2 ' \ ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ДЕФОРМИРУЮЩИМИ КРЕПЕЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ..................................................................................8

1.1. Соединения с резьбообразующими крепежными элементами......................................................................................8

1.2.Технологические процессы образования резьбовых соединений с деформирующими шпильками..............................20

1.3.Основные проблемы разработки новой технологии сборки гладко-резьбовых соединений с нестандартными деформирующими шпильками......................................................28

1.4.Цель и задачи исследований..........................................................29

ГЛАВА И. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С

РЕЗЬБОВЫДАВЛИВАЮЩЕЙ РЕЗЬБОВОЙ ЧАСТЬЮ...............31

2.1.Конструктивно-технологические факторы работы

резьбообразующих крепежных элементов...................................33

2.2.Особенности работы резьбообразующей части крепежных

элементов.........................................................................................35

2.3.Геометрические параметры резьбообразующей части нестандартных крепежных элементов.......................................... 38

2.4.Связь крутящих моментов с геометрией резьбовой части.........41

2.5.Систематизация крепежных резьбообразующих элементов

и разработка классификатора........................................................46

2.6.Предложения по выбору экспериментальных образцов............54

2.7. Техно логическое обеспечение процесса сборки соединений с резьбообрзующими крепежными элементами ......................................................................................57

Выводы.............................................................................................61

ГЛАВА III . ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЗАВИНЧИВАНИЯ ДЕФОРМИРУЮЩИХ

КРЕПЕЖНЫХЭ ЛЕМЕНТОВ..........................................63

3.1. Геометрия резьбовых участков корпусного конца стандартных шпилек и шпилек с обратной конусностью..........65

3.2.Геометрические параметры деформирующих шпилек с овальной заходной частью.............................................................74

3.2.1 .Геометрия деформирующей части.......................................76

3.2.2.Геометрия контактных поверхностей по резьбовой части...................................................................78

3.3.Теоретический анализ крутящих моментов и их составляющих.................................................................................83

3.3.1 Усилия и составляющие момента на резьбовой части стандартных шпилек и шпилек с обратной конусностью............................................................................83

3.3.2 Усилия и составляющие крутящего момента на резьбовой части шпилек с овальной заходной частью.......87

Выводы.............................................................................................90

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБРАЗУЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ....................................................92

4.1 .Выбор материалов. Порядок проведения экспериментов......... 92

4.2. Образцы собираемых деталей......................................................96

4.3.Исследование крутящего момента с применением математического планирования экспериментов.........................97

4.4.Анализ полученных результатов исследований крутящих моментов..........................................................................................104

4.5. Исследование стопорящих свойств образуемых соединений......................................................................................109

Выводы...................................................................................................120

ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЕФОРМИРУЕМЫХ

СОЕДИНЕНИЙ И ПРОЦЕССА ИХ СБОРКИ...............................123

5.1.Исследование показателей получаемых резьбовых соединений......................................................................................124

5.1.1. Микроструктурный анализ резьбовых профилей.............125

5.1.2. Исследование микротвердости резьбовых профилей.......129

5.1.3. Исследование распределения нагрузки по виткам резьбы при затяжке...............................................................134

5.2. Исследование показателей процесса сборки..............................137

5.2.1. Исследование нагрузок, действующих в соединении при сборке........................................................140

5.2.2. Допустимые осевые смещения и предельные погрешности относительного ориентирования.................144

5.2.3. Исследование точности установки детали.......................150

Выводы...........................................................................................154

ГЛАВА VI. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ

И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.........156

Выводы.............................................................................................162

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ........................................................................163

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................179

ВВЕДЕНИЕ

Резьбовые соединения занимают большую часть в объеме соединительных технологий и часто являются ответственными узлами, определяющими прочность и надежность всей конструкции. Широкая номенклатура крепежных изделий, имеющих резьбу, используется в машиностроении, приборостроении, электронике, автомобильной промышленности и других отраслях.

Сборка соединений данного класса обладает значительной трудоемкостью. В области двигателе-, насосо-, агрегатостроения трудоемкость достигает 35% общей трудоемкости сборки. Значительные проблемы связаны с обеспечением надежного стопорения резьбовых соединений, для чего привлекаются дополнительное оборудование, материалы и детали. Это увеличивает трудоемкость, а следовательно и общие финансовые затраты на сборку.

Существующие технологические методы сборки шпилечных соединений недостаточно эффективны, требуют значительных трудозатрат и дополнительных экономических средств.

Анализ создавшегося положения позволил определить один из перспективных способов сборки шпилечных соединений, реализуемый путем ввинчивания шпилек в гладкие отверстия с самонакатыванием резьбы. Данный метод достаточно исследован [65,18,104,12,117] и широко применяется в промышленности. Однако он распространен только на стандартные деформирующие шпильки по ГОСТ 22043-85, ввинчиваемые в гладкие отверстия корпусов из литейных и деформируемых алюминиевых сплавов.

При использовании определенных технологий [12,106] появилась возможность ввинчивания деформирующих шпилек в отверстия корпусов из низкоуглеродистых сталей и чугунов. Кроме того, возможность использования нестандартных крепежных элементов с определенной геометрией де-

формирующей части может значительно расширить область применения данного способа сборки.

Эксплуатационные характеристики соединений с деформирующими шпильками не уступают, а во многих случаях превышает характеристики соединений с натягом по ГОСТ 4608-85, образуемых с помощью обработки внутренней резьбы метчиками по ГОСТ 11188-82 и предусматривающих сортировку шпилек на селективные группы [87].

Основные проблемы сборочно-резьбообразующей технологии исследовались в работах И.А. Биргера, А.И. Якушева, P.P. Мавлютова, Н.С. Бутки-на, В.М. Лабецкого, Г.А. Семичевского и других. Вопросы точности резьбо-образующих операций рассматривались в работах В.В. Матвеева, A.C. Ямникова, В.Э. Михайлюка, И.У. Заирова.

Основные положения в проектировании технологических систем сборочного и обрабатывающего оборудования отражены в работах B.C. Корсакова, A.B. Яхимовича, И.И. Капустина, Ю. В. Кулагина, Ю.И. Кармацкого.

Существующие научные материалы имеют неоценимое значение для исследования технологического обеспечения сборочно-резьбообразующих процессов.

Эффективность технологии ввинчивания деформирующих шпилек в гладкие отверстия достигается исключением операции предварительного нарезания резьбы, экономией режущего и мерительного инструмента, повышением коэффициента использования применяемого оборудования, высокими технико-эксплуатационными показателями получаемых соединений.

Вопросы расширения номенклатуры корпусных деталей, повышения надежности сборки соединений с деформирующими шпильками и их качества, снижения трудоемкости резьбовыдавливающих операций требует дальнейших разработок.

Исходя из сказанного, исследование процесса получения резьбовых соединений со стандартной и нестандартной конфигурацией деформирующих

шпилек для корпусных деталей является актуальной проблемой, состоящей из следующих задач:

1. Исследование технологических возможностей сборки гладкорезьбо-вых соединений на базе стандартных и нестандартных конфигураций деформирующих шпилек для корпусных деталей компрессоро-и насосостроения.

2. Исследование силовых, точностных и эксплуатационно - технических характеристик получаемых соединений. Сравнительная оценка их эффективности.

3. Автоматизация процесса технологической подготовки производства предлагаемой сборочно - резьбообразующий операции.

4. Разработка технологических рекомендаций для внедрения в промышленность.

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ДЕФОРМИРУЮЩИМИ КРЕПЕЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

1.1.Соединения с резьбообразующими крепежными элементами

Начало разработок в области соединений с резьбообразующими крепежными элементами приходится на 70- е годы.

Основное преимущество применения резьбообразующих крепежных элементов заключается в том, что резьба в отверстии корпуса выдавливается при их завинчивании. Это позволяет исключить операцию нарезания резьбы в отверстии, ее контроль и снизить требования к точности изготовления.

Кроме того, перспективность применения технологии соединений с резьбообразующими крепежными элементами заключается в:

- снижении трудоемкости сборки;

- применении универсального оборудования и обычных сборочных средств (ключей, винтовертов, шпильковертов);

- экономии режущего инструмента.

Номенклатура резьбообразующих крепежных элементов постоянно расширяется. Наибольшее распространение они нашли в автомобильной промышленности, производстве авиационных агрегатов, приборостроении, машиностроении, электротехнике, электронике и других отраслях. Широко применяются самонарезающие и самонакатывающие винты, шпильки, фу-торки.

Современная промышленность потребляет огромное количество крепежных элементов. В современных самолетах число резьбовых соединений превышает 100 тысяч, на двигателе и агрегатах - 5 тысяч [ 57 ]. На двигатель автомобиля АЗЛК устанавливается около 80 шпилек, при сборке автобуса ЛИАЗ - 5256 требуется 327 самонарезающих винтов [125,93 ].

Соединения с деформирующими крепежными элементами (СДКЭ) относятся к классу резьбовых соединений с радиальным натягом. По эксплуатационно-техническим характеристикам они схожи с соединениями с тугой резьбой по ГОСТ 4608 -81. Но у последней внутренняя резьба получается нарезанием метчиками по ГОСТ 11188 - 82 для тугой резьбы, что увеличивает трудоемкость за счет наличия резьбонарезной операции и сортировки шпилек на селективные группы для создания величины однородных натягов [ 87]( группы В и С, группа А без сортировки ).

Использование СДКЭ объединяет процессы резьбообразования и сборки. К СДКЭ относятся и ГРС - гладко - резьбовые соединения с деформирующими шпильками.

Способ гладко-резьбового соединения шпильками путем ввинчивания резьбовых шпилек в корпусные детали из алюминиевых и магниевых сплавов без предварительного нарезания в них резьбы был описан Иосилевичем Г.Б. и Буткиным Н.С. [ 56 ]. Дальнейшие исследования тугих ГРС проводились Биргером И.А., Лабецким В.М., Молоховым И.Ф., Оконешниковым В.А., Иноземцевым Г.Г., Лукьяновым В.А., Семичевским Г.А., Хандожко А.В. для аналогичных материалов корпусов [19, 65, 104, 117, 51, 54, 53, 85, 83, 56, 16, 84 ]. В работе Березина С .Я. [ 12 ] представлены разработки по ввинчиванию деформирующих шпилек в стальные и чугунные корпуса.

Многообразие СДКЭ ставит задачей разработку элементарной классификации (типизации) этих соединений.

Патентный анализ различных конструкций деформирующих крепежных элементов позволил провести предварительную их типизацию , представленную на рис. 1.1.

Как видно из приведенной схемы классификации деформирующих крепежных элементов все их многообразие можно свести к трем типам: самонарезающие винты, деформирующие шпильки и резьбовые вставки и втулки.

Рис. 1.1 Схема типизации деформирующих крепежных элементов

Самонарезающие и самонакатывающие винты наибольшее применение нашли в самолетостроении, автомобильной и электротехнической промыш-

ленности. Применяются они для ввертывания как в сплошной, так и в листовой материал из низкоуглеродистых сталей, чугунов, реактопластов, дерева для соединений с резьбой до 10 мм на длине свинчивания не более одного диаметра. Имеют увеличенный шаг резьбы. Технология и силовые параметры процесса сборки соединений с помощью самонарезающих и самонакатывающих винтов достаточно полно представлены в работах [115, 69, 94, 21, 8 ]. Применяются винты различных конструкций (наличие стружечных канавок, многозаходные, многогранная форма поперечного сечения и т.д.). Не смотря на то, что самонарезающие винты упрощают процесс сборки, они имеют ограниченное применение, так как при диаметре резьбы более 10 мм наблюдались случаи нестабильности крутящего момента и деформация резьбового профиля [ 104].

Наиболее многочисленный тип представляют деформирующие шпильки для гладких отверстий со стандартной и нестандартной формой заходной части.

ГРС охватывают диапазон метрических резьб от М5 до М22 с шагами до 2,0 мм. При этом в известных работах исследованы возможности ввинчивания деформирующих шпилек в корпуса из алюминиевых и магниевых сплавов АЛ4, АЛ5, АЛ9, МЛ5, МЛ7, ВАЛ5 [18, 65, 104, 12, 117] , латуней Л69 , низкоуглеродистых сталей с твердостью НВ<190 и серых чугунов с НВ<215 [106].

Несмотря на кажущуюся простоту образования ГРС с деформирующимися шпильками, существует немало трудностей при его осуществлении.

Некоторые проблемы, касающиеся технологического обеспечения данных соединений, в настоящее время вообще не исследованы. Не изучены вопросы собираемости и сущности самого процесса постановки шпилек с нерегулярным профилем заходной части в гладкие отверстия. Не исследованы эксплуатационно-технические и силовые характеристики монтажа крепежных элементов с нерегулярным профилем заходной части.

Нет методики инженерных расчетов, необходимых в конструкторско-технологической подготовке производства, анализа существующих разработок по использованию конструкций с нерегулярным профилем посадочных концов деформирующих шпилек, способов постановки в отверстия корпусов, технологического оснащения и рекомендаций для производства.

Кроме того, в литературных источниках нет сравнительных характеристик ГРС с применением шпилек с нерегулярным профилем посадочных концов и ГРС на основе стандартных деформирующих шпилек или стандартных шпилечных соединений с тугой посадкой по ГОСТ 4608-81.

Перечисленные вопросы требуют тщательного исследования с целью подтверждения перспективности метода сборки ГРС с применением элементов с нерегулярной геометрией профиля посадочных концов.

Данные, полученные в результате аналитического обзора современной технологии СДКЭ, в основном касаются исследований процесса сборки ГРС с использованием стандартных деформирующих шпилек.

Геометрические параметры гладко-резьбового соединения, образованного с применением деформирующих шпилек, изображены на рис. 1.2 [106].

Конфигурацию внутреннего резьбового профиля определяют следующие параметры [ 106 ] :

1. Припуск под резьбу 8 = —-.

2. Коэффициент заполнения профиля ц = ^ ^1

3. Высота выдавленного профиля Ъ = ^ —1к

2

А

4. Величина незаполнения профиля д =

¿1* ~ ¿Хг

2

ГРС со стандартными деформирующими шпильками относятся к соединениям с натягом по среднему диаметру. Натяг обеспечивает высокие стопорящие свойства, но в то же время вызывает значительные крутящие

моменты свинчивания. Повышение значений крутящих моментов ведет к снижению надежности сборки.

Рис.1.2. Геометрические параметры гладко-резьбового соединения: 4 <10 - диаметры резьбы шпильки и отверстия;

Ь -высота выдавленного профиля;

А -высота незаполнения профиля;

8 -припуск под резьбу;

Ф -угол фаски;

2ш -средний диаметр шпильки.

При образовании соединений с помощью крепежных элементов данного типа внутренняя резьба выдавливается заходным витком шпильки. Сто-порение происходит за счет сил трения на боковых сторонах профиля и вершинах резьбы по наружному диаметру [121]. Стопорение обеспечивается радиальным натягом, возникающим на резьбовой поверхности от последе-формационно