автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности сборки и контроля качества резьбовых соединений путем применения ультразвука

Введение.

1. Анализ современного состояния проблемы сборки резьбовых соединений и постановка задач исследования.

1.1 Служебное назначение и показатели качества резьбовых соединений.

1.2 Факторы, приводящие к отклонениям характеристик качества резьбовых соединений.

1.3 Современное состояние методов и средств обеспечения и контроля качества резьбовых соединений.

1.4 Применение ультразвуковых колебаний для повышения эффективности процесса сборки и контроля качества соединений.

2. Разработка алгоритма управления качеством резьбовых соединений при ультразвуковой сборке.

2.1 Особенности воздействия ультразвука на процесс сборки резьбовых соединений.

2.2 Снижение усилий при сборке и разборке резьбовых соединений в условиях ультразвукового воздействия.

2.3. Разработка алгоритма ультразвуковой сборки.

2.4 Динамические показатели качества и методы их определения.

2.4.1 Примеры временных реализаций и их спектров.

2.4.2 Анализ сигналов во временной области.

2.4.3. Анализ сигналов в частотной области.

2.5 Способы ультразвуковой сборки резьбовых соединений с применением частотных параметров для контроля качества соединения.

Выводы по главе.

3. Моделирование напряженно-деформированного состояния и динамических процессов в резьбовом соединении.

3.1 Выбор и обоснование схем построения моделей ультразвуковой сборки резьбовых соединений.

3.2 Построение конечно-элементных моделей резьбовых соединений.

3.3 Исследование собственных форм и частот резьбовых соединений.

3.4 Синтез механодинамической модели резьбового соединения.

3.5 Моделирование амплитудно-частотных характеристик резьбовых соединений в условиях вынужденных колебаний.

Выводы по главе.

4. Практическая реализация и внедрение результатов исследований.

4.1. Методика статистической обработки результатов экспериментов.

4.2 Экспериментальные исследования по сравнению способов ультразвуковой сборки с контролем по градиенту момента.

4.3 Реализация и экспериментальные исследования ультразвуковой сборки резьбовых соединений с использованием частотных характеристик как параметров качества.

4.3.1 Выбор и расчет ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей и концентраторов колебаний.

4.3.2 Выбор датчиков вибрации и разработка схем их установки на объекте.

4.4 Методика проведения и результаты лабораторных и промышленных испытаний способа и устройства ультразвуковой сборки резьбовых соединений.

4.4.1 Реакция колебательной системы на вынуждающую гармоническую силу.

4.4.2 Реакция колебательной системы на тестовый удар.

4.5 Практическая реализация и внедрение результатов исследования.

Выводы по главе.

Совершенствование качества выпускаемой продукции и повышение эффективности производства являются актуальной задачей современного состояния технологии машиностроения. Важное место в ее решении занимает процесс сборки, от качества которого во многом зависит обеспечение эксплуатационных показателей изделий.

Сборочный процесс, являясь завершающим этапом изготовления машин, во многом определяет возможность получения требуемых показателей качества собираемого изделия. Важнейшей задачей, решаемой при сборке, является обеспечение требуемого взаимного расположения поверхностей собираемых деталей при заданном значении контактного давления в соединениях и узлах машин.

Одним из наиболее распространенных в машиностроении видов соединений являются резьбовые соединения, обеспечивающие возможность разборки и вторичной сборки изделии без повреждения сопрягаемых поверхностей деталей. В машиностроительном производстве доля резьбовых соединений составляет 20.35% от всех собираемых узлов. Во многих случаях резьбовые соединения являются ответственными узлами, определяющими прочность, надежность и безопасность всей конструкции. Поэтому к качеству затяжки резьбовых соединений предъявляются повышенные требования.

Вместе с тем, получившие распространение традиционные методы сборки и контроля резьбовых соединений не всегда удовлетворяют все возрастающим требованиям к качеству узлов. Поэтому разработка новых технологий сборки резьбовых соединений и контроля их качества, в том числе с использованием комбинированного воздействия нескольких видов энергии или совмещении различных способов ее подвода, является актуальной задачей.

Одним из перспективных направлений интенсификации сборочных работ является сборка резьбовых соединений с применением ультразвуковых колебаний, которые при введении в зону контакта оказывают существенное влияние, как на сам технологический процесс сборки, так и на формируемые параметры качества соединений. Ультразвуковые методы сборки позволяют получить ряд новых неаддитивных эффектов, способствующих повышению производительности процесса и качества изделий.

Одновременное воздействие ультразвуковых волн и статических нагрузок способствует увеличению производительности и снижению энергоемкости процесса. Использование физико-технологических особенностей ультразвука и сопутствующих эффектов открывает качественно новые возможности в организации и проведении процессов сборки и контроля, улучшении функциональных параметров соединений.

Большой вклад в развитие науки о сборке, в том числе ультразвуковой, внесли ученые Б.С. Балакшин, В.П. Бобров, А.Г. Герасимов, А".А. Гусев, A.M. Дальский, Ю.З. Житников, Д.Я. Ильинский, Н.И. Камышный, И.И.Капустин, И.М. Колесов, В.В. Косилов, А.Н. Малов, К.Я.;Муценек, М.П. Новиков, Г.Я. Пановко, А.Н. Рабинович, А.Г. Холодкова, Б.Л. Штриков, В.А. Яхимович и др.

Необходимо отметить, что функциональные параметры машин и приборов во многом определяются показателями качества деталей, образующих соединение. Эта взаимосвязь получила глубокое осмысление благодаря работам А.П. Бабичева, В.Ф. Безъязычного, Ф.И. Демина, Б.А. Кравченко, Д.Д. Папшева, A.C. Проникова, Э.В. Рыжова, A.M. Сулимы, А.Г. Суслова, JI.B. Худобина, Ю.Г. Шнейдера, A.B. Якимова, П.И. Ящерицина и др. и получила дальнейшее развитие в исследованиях Б.М. Базрова, В.Г. Митрофанова, Ю.С. Соломенцева и др., направленных на достижение требуемых показателей изделий путем управления технологическими процессами средствами автоматизации. При этом в основе большинства технологических работ лежат фундаментальные исследования Д.Н. Гаркунова, М.Н. Добычина, И.В. Крагельского, B.C. Комбалова, Н.М. Михина, A.B. Чичинадзе и др. по проблеме контактного взаимодействия поверхностей сопряжения.

Вмести с тем, несмотря на известные достоинства ультразвуковой сборки, область ее рационального применения раскрыта еще недостаточно и требует дальнейшего углубленного изучения. В частности, практически не изучена возможность использования колебаний в диагностических целях. В то же время получаемая при этом информация может быть использована как для оценки качества формируемого соединения, так и для оперативного управления ходом технологического процесса сборки.

Поэтому выявление механизма воздействия ультразвука на формирование связей в резьбовом соединении и управление состоянием этих связей непосредственно в процессе сборки является актуальной задачей.

В соответствии с изложенным целью работы является повышение эффективности ультразвуковой сборки и качества резьбовых соединений путем управления состоянием формируемого соединения по параметрам вибрационных сигналов в процессе сборки.

Проведенными исследованиями установлены основные структурные компоненты процесса формирования резьбовых соединений, определены их взаимосвязи, выявлен механизм воздействия ультразвука как на основные элементы процесса сборки, так и на показатели качества соединений.

С использованием программного комплекса ANSYS разработана совокупность моделей, адекватно отражающих связь режимов ультразвуковой сборки с эксплуатационными показателями резьбовых соединений.

На основе экспериментальных исследований и моделирования выявлена и обоснована возможность использования ультразвуковых колебаний как в технологических, так и в диагностических целях в качестве дополнительного источника оперативной информации о характере динамических процессов, протекающих в формируемом соединении.

На основе выявленных закономерностей разработан способ сборки резьбовых соединений, позволяющий минимизировать силовые параметры процесса и повысить качество соединений.

На основе проведенных исследований реализован комплекс конструкторско-технологических решений, позволяющих повысить эффективность технологического процесса сборки и улучшить качество формируемых соединений.

Разработаны способы и устройства для их реализации, позволяющие проводить динамический контроль качества резьбовых соединений в процессе ультразвуковой сборки.

Тематика работы входит в состав научно-исследовательских работ, проводимых в рамках тематического плана СамГТУ по заданию Федерального агентства по образованию на 2002-2006 годы по теме «Исследование теоретических основ волновых технологий сборки и разборки прессовых и резьбовых соединений с сертификацией их качества», регистрационный номер НИР 1.8.02; Номер государственной регистрации НИР 01200212230.

Процесс сборки и контроля качества резьбовых соединений внедрен при сборке ротора и муфты магнето на ОАО «Завод Магнето» (г. Самара).

Основные положения, выносимые на защиту:

- выявленные теоретическими и экспериментальными исследованиями основные особенности механизма формирования контактных связей в элементах резьбового соединения при ультразвуковой сборке, а также разработанный способ эффективного технологического управления ими;

- созданные конечно-элементные статические и динамические модели резьбовых соединений: модели напряженно-деформированного состояния резьбового соединения, модели собственных форм и частот колебаний резьбовых соединений, резонансные модели резьбовых соединений;

- разработанные способы динамического контроля качества резьбовых соединений при ультразвуковой сборке на основе анализа резонансных свойств механической колебательной системы;

- устройства, оборудование для осуществления ультразвуковой сборки и контроля качества формируемых соединений.

Разработанные способы и устройства для их реализации, позволяющие проводить динамический контроль качества резьбовых соединений в процессе ультразвуковой сборки, защищены патентом РФ № 2228256, решением о выдаче патента РФ № 2004132740/02, патентами РФ на полезные модели № 31350 и № 31448.

Автор выражает свою глубокую признательность научному руководителю заслуженному работнику ВШ РФ доктору технических наук профессору Штрикову Борису Леонидовичу за повседневное внимание и руководство работой.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате комплексных теоретико-экспериментальных исследований решена актуальная задача, направленная на дальнейшее повышение эффективности сборки и повышения качества резьбовых соединений с применением ультразвуковых колебаний.

2. Исследованы особенности процесса ультразвуковой сборки резьбовых соединений, с учетом которых разработана совокупность моделей, адекватно отражающих связь режимов ультразвуковой сборки с показателями эксплуатационных свойств резьбовых соединений.

3. На основе выявленных особенностей механизма формирования контактных связей при ультразвуковой сборке обоснован алгоритм повышения эффективности ультразвуковой сборки резьбовых соединений с учетом изменений характеристик трения и пластичности деталей, который позволяет управлять формированием контактных связей в соединении за счет введения дополнительного вибрационного воздействия и контроля динамических характеристик получаемой системы.

4. Разработанные конечно-элементные статические и динамические модели резьбовых соединений, модели формирования напряженно-деформированного состояния соединения в условиях ультразвуковых воздействий дают возможность обоснованно подходить к проектированию и конструированию соединений.

5. Синтезированы и исследованы в программном комплексе ANS YS динамические модели сборки резьбовых соединений с учетом дополнительных ультразвуковых воздействий, включающие модели собственных форм и частот колебаний болтовых и винтовых соединений, резонансные модели резьбовых соединений, позволившие провести исследование особенностей деформирования резьбовых соединений в динамических условиях.

6. Разработан способ динамического контроля качества резьбовых соединений при ультразвуковой сборке, основанный на анализе резонансных свойств механической колебательной системы, который позволяет проводить контроль качества соединения непосредственно в процессе сборки.

7. Показана эффективность использования колебательных воздействий, как в технологических, так и в диагностических целях в качестве дополнительного источника оперативной информации о характере динамических процессов, протекающих в формируемом соединении. В качестве динамических параметров используются частота колебаний, коэффициент динамичности и добротность

8. На основе проведенных исследований разработан и реализован способ сборки резьбовых соединений, позволяющий управлять формированием контактных связей в соединении за счет введения дополнительного вибрационного воздействия и контроля динамических характеристик получаемой системы.

9. Разработан комплекс конструкторско-технологических решений и рекомендаций, направленных на повышение эффективности практического использования ультразвука при сборке резьбовых соединений, представлены устройства, оборудование и практические рекомендации для ультразвуковой сборки и контроля качества формируемых соединений.

1. Абрамов С.К. Резонансные методы исследования динамических свойств пластмасс. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1978. 136 с.

2. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов / Под ред. Абрамова O.B. М.: Машиностроение, 1984. -280 е., ил.

3. Автоматизация и механизация сборки, регулировки и испытания машиностроительных изделий / Гусев A.A., Балыков A.B., Базров Б.М. и др.: Под ред. Гусева A.A. М.: Общество «Знание» РСФСР, 1991. 135 с.

4. Автоматическое управление вибрационными испытаниями / Гетманов А.Г., Дехтяренко П.И., Мандровский-Соколов Б.Ю., и др., М.: Энергия, 1978. -112 с.

5. Агранат Б.А., Баширов В.И., Китайгородский Ю.И. и др. Ультразвуковая технология. — М.: Машиностроение, 1974. 564 с.

6. Акустические методы измерений характеристик твердых веществ: Сб. статей. М.: ВИИФТРИ, 1978. - 79 С.

7. Александров В.М., Ромалис Б.Л. Контактные задачи в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986. 174 с.

8. Алексеенко П.П. и др. Труды ВНИИмонтажспецстроя, 1978. № 24. С. 89.

9. Андриенко Л.А., Байков Б.А., Ганулич И.К. и др.; Под ред. Ряховского O.A. Детали машин: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 520 с. - (Сер. Механика в техническом университете; Т. 8).

10. Артоболевский И.И., Генкин М.О., Сергеев В.И. Акустическая динамика машин и конструкций. М.: Наука, 1973. 360 с.

11. A.c. 1505770 (СССР) Способ сборки резьбовых соединений / Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

12. A.c. 1700352 (СССР) Способ контроля параметров резьбы / Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.13.