автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности сборки и разборки резьбовых соединений путем применения ультразвуковых колебаний

На правах рукописи

ТЕПЛЯКОВ Александр Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СБОРКИ И РАЗБОРКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2004

Работа выполнена на кафедре: «Автоматизация технологических процессов в машиностроении» Самарского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ШТРИКОВ БОРИСЛЕОНИДОВИЧ

Официальный оппонент: Член-корреспондент РАН, заслуженный

деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

БАРВИНОК ВИТАЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

кандидат технических наук, доцент ГОЛОВКИН ВАЛЕРИЙ ВИКТОРОВИЧ

Ведущая организация: ОАО «Завод авиационных подшипников»

Защита состоится «22» декабря 2004 г. в 10-00 часов, на заседании диссертационного совета Д.212.217.02 в Самарском государственном техническом университете по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корпус № 6, ауд. 228.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.

Автореферат разослан 2004 г.

Просим Вас, принять участие в обсуждении работы и направить свой отзыв, заверенный печатью, по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д. 212.217.02.

Ученый секретарь ¿г

диссертационного совета / А.Ф.Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Характерной особенностью современного состояния технологии машиностроения является неуклонное повышение качества выпускаемой продукции. Важная роль в обеспечении эксплуатационных показателей машин и механизмов принадлежит сборочным операциям. При этом большую группу соединений составляют резьбовые соединения, от качества которых зависят функциональные параметры узлов. Вместе с тем, получившие распространение традиционные методы сборки этих соединений не всегда удовлетворяют все возрастающим требованиям к качеству узлов.

Перспективным направлением совершенствования традиционных процессов сборки является введение ультразвуковых колебаний в зону контакта поверхностей деталей, когда наряду с основными движениями, предусмотренными технологической схемой сборки, деталям дополнительно сообщаются колебания ультразвуковой частоты. Использование физико-технологических особенностей ультразвука и сопутствующих эффектов открывает качественно новые возможности в организации и проведении процессов сборки, улучшении функциональных параметров соединений.

Вместе с тем, работы, посвященные применению ультразвука для сборки резьбовых соединений, носят, по существу, поисковый характер и касаются лишь отдельных сторон вопроса. Поэтому выявление закономерностей воздействия ультразвука на основные физико-технологические показатели процесса и разработка на их основе новых способов технологического обеспечения требуемых функциональных параметров соединений является важной научной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности сборки резьбовых соединений путем применения ультразвука на базе теоретических и экспериментальных исследований физического механизма процесса.

Методы исследований. Для достижения поставленной цели в работе использованы основные теоретические положения технологии машиностроения, программный пакет ANSYS, основанный на методе конечных элементов. В экспериментальных исследованиях применена методика математического планирования эксперимента. Опыты проведены с использованием специальных и стандартных измерительных устройств на образцах и натурных изделиях. Обработка и анализ экспериментальных данных проводились с использованием ПЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов и заключений обусловлена совпадением результатов численных расчетов параметров процесса с данными экспериментальных исследований.

Научная новизна. Выявлен механизм воздействия ультразвука на процесс сборки резьбовых соединений,

С помощью программного пакета А№У8 разработана конечно-элементная модель процесса ультразвуковой сборки резьбовых соединений, позволяющая производить комплексный анализ процесса:

• определение напряженно-деформированного состояние резьбовых соединений;

• определение контактных давлений, возникающих при сборке резьбового соединения.

Определены оптимальные параметры процесса ультразвуковой сборки по критериям работоспособности резьбовых соединений и силовым параметрам процесса сборки.

Выявлены основные факторы, способствующие повышению качества резьбовых соединений.

Практическая ценность. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований реализован комплекс конструк-торско-технологических решений, направленных на дальнейшее повышение качества сборки и разборки резьбовых соединений путем применения ультразвуковых колебаний.

Разработана и внедрена технология ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений, позволившая существенно снизить силовые параметры процесса и повысить эксплуатационные показатели соединений.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Общие и частные методики моделирования элементов ультразвуковой сборки, позволяющие научно обоснованно подойти к выявлению механизма воздействия ультразвука на основные параметры процесса.

• Выявленные теоретическими и экспериментальными исследованиями основные особенности механики формирования контактных связей в соединении.

• Разработанные конечно-элементные модели процесса ультразвуковой сборки резьбовых соединений, формирования напряженно-деформированного состояния соединения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на четырех международных научно-технических конференциях: «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2002 г.), «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (г. Волгоград, 2003 г.), Наука. Технологии. Инновации. (г.Новосибирск, 2003 г.), «Высокие технологии в машиностроении 2» (г. Самара, 2004 г.). В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на объединенном заседании кафедр «Технология машиностроения», «Автоматизация технологических процессов в машиностроении», «Автоматизированные станочные комплексы», «Инструментальные системы автоматизированного производства».

Публикации. Основное содержание работы отражено в семи публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и общих выводов, изложенных на 190 станицах машинописного текста, содержит 100 рисунков, 29 таблиц, библиографический список, включающий 132 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цель и сформулированы задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, определены научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена анализу проблемы повышения эффективности и качества сборки соединений.

Решение проблемы повышения эффективности и качества сборки неразрывно связано с совершенствованием существующих и разработкой новых технологических процессов соединения деталей.

Большой вклад в развитие науки о сборке внесли ученые Б.С. Балакшин, ВАБарвинок, В.П.Бобров, Л.И.Волчкевич, АГ.Герасимов, ААГусев, АМ.Дальский, Д.Я.Ильинский, Н.И.Камышный, И.И.Капустин, И.М.Колесов, В.В.Косилов, Л.Н.Кошкин, М.СЛебедовский, АН.Малов, К.Л.Муценек, М.П.Новиков, ГЛ.Пановко, АН.Рабинович, Б.Л.Штриков, В.А Яхимович и др.

В то же время необходимо отметить, что функциональные параметры машин и приборов во многом определяются показателями качества деталей, образующих соединение. Эта взаимосвязь получила глубокое осмысление благодаря работам АП.Бабичева, И.В.Дунина-Барковского, Б.А.Кравченко, ААМагалина, Д.Д.Папшева,

АС.Проникова, Э.В.Рыжова, АМ.Сулимы, АГ.Суслова, Л.В.Худобина, Ю.Г.Шнейдера, А.В .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, Н.Б.Демкина, М.Н.Добычина, И.В.Крагельского, В.С.Комбалова, Н.М.Михина, АВ.Чичинадзе и др. по проблеме контактного взаимодействия поверхностей сопряжения.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые при реализации этих направлений, по-прежнему актуальной остается проблема повышения эффективности сборки на основе качественно новых технологий сборки, в том числе с использованием комбинированного воздействия

нескольких видов энергии или совмещении различных способов ее подвода.

Перспективным направлением повышения эффективности и качества традиционных процессов сборки соединений является введение ультразвуковых колебаний в зону контакта поверхностей деталей.

В создание теоретических основ и практическую реализацию ультразвуковой технологии большой вклад внесли ученые О.В.Абрамов, Б.ААгранат, В.К.Асташев, ВАВероман, ВАВолосатов, АИ.Исаев, В.Ф.Казанцев, М.Г.Киселев, Ю.И.Китайгородский, В.В.Клубович, Е.Г.Коновалов, БАКравченко, АВ.Кулемин АИ.Марков, В.Д.Мартынов, Б.Х.Мечетнер, И.И.Муханов, М.С.Нерубай, Г.И.Погодин-Алексеев, В.Н.Подураев, И.Г.Полоцкий, Г.И.Прокопенко, Л.Д.Розенберг, М.Г.Сиротюк, В.П.Северденко, АВ.Степаненко, И.И.Теумин, Б.Л.Штриков, а также зарубежные исследователи Л. Баламуз, Ф. Блаха, Л. Колуэлл, Д. Кумабэ, Б. Лангенекер, У. Мезон и др.

Вместе с тем, широкое применение ультразвуковой сборки сдерживается в связи с отсутствием научно обоснованных рекомендаций по ее применению, учитывающих специфику процесса и условия формирования контактных связей в собранном соединении.

Стремление реализовать указанных подход для достижения цели настоящей работы обусловило необходимость решения следующих основных задач, в числе которых:

• экспериментально определить силы затяжки, прочность соединений при различных параметрах ультразвуковой сборки;

• разработать конечно-элементную модель процесса ультразвуковой сборки;

• исследовать напряженно-деформированное состояние деталей в соединении;

• использовать теоретические и экспериментальные исследования для определения оптимальных параметров процесса ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений;

• на основе теоретических и экспериментальных данных исследований реализовать комплекс конструкторско-технологических решений, направленных на повышение качества ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений.

Во второй главе описаны методики проведения исследований, обработки экспериментальных данных, а также оборудование, контрольно-измерительная аппаратура и образцы для исследований, произведено исследование влияния ультразвука на процесс сборки и разборки соединений.

Для сборки резьбовых соединений была разработана специальная установка, позволяющая производить сборку с применением ультразвуковых колебаний. Для реализации возможности сообщения болту как

продольных, так и крутильных колебаний был разработан магнитострик-ционный преобразователь и волновод-концентратор ультразвуковых колебаний, применение которого целесообразно с экономической точки зрения. Разработана контрольно - регистрирующая аппаратура крутящего момента.

Эффективность воздействия ультразвуковых колебаний на процесс сборки и разборки соединений оценивалась по моменту затяжки М3 и моменту, соответствующему началу развинчивания Мр, определявшиеся в зависимости от амплитуды и направления ультразвуковых колебаний. На рис.1 представлены результаты исследований, в которых затяжка резьбовых соединений производилась с ультразвуковыми колебаниями, а развинчивание без колебаний. Исследованиями установлено, что амплитуда и направление введения в зону сопряжения деталей ультразвуковых колебаний оказывает определяющее влияние на параметры резьбового соединения. Одна из основных характеристик надежности резьбового соединения - усилие затяжки, представленное на графиках в виде ее производной величины-момента затяжки - пропорционально зависит от амплитуды Так, если соединение было затянуто с М3 =80Нм с наложением на болт М20х1,5 ультразвуковых колебаний амплитудой 5мкм, то момент, необходимый для развинчивания, по сравнению с обычной сборкой увеличивается на 20%, а при £=15мкм - уже на 60%. Вместе с тем, как показывают исследования, такое же увеличение прочности соединения можно достигнуть при £=5мкм, но при наложении на болт крутильных колебаний. В этом случае по сравнению с обычной сборкой рост амплитуды крутильных ультразвуковых колебаний до 15 мкм увеличивает момент, необходимый для развинчивания соединений, почти в 2 раза. Еще большая эффективность использования колебаний наблюдается при меньших величинах моментов, прилагаемых при свинчивании. В частности, при ультразвуковой затяжке соединений с М=7,5мкм момент развинчивания увеличивается в 3,5 раза при осевых колебаниях и в 5,5 раз при крутильных по сравнению с обычной. На рис. 2 представлены зависимости, характеризующие влияние направления и амплитуды колебаний, накладываемых на болт при его разборке. Исследованиями установлено, что при осевых и крутильных колебаниях с =5мкм при разборке соединений, затянутых с моментом 8Нм и 20Нм соответственно, происходит самоотвинчивание болта.

С увеличением момента затяжки соединения болта Мр также увеличивается, оставаясь при этом значительно меньше величины момента, который необходимо приложить для развинчивания соединения без ультразвука. Например, чтобы разобрать соединение, затянутое с Мз=80Нм, надо приложить М^, при осевых колебаниях с £=5мкм на 20%, а при £=15мкм на 60% меньше по сравнению с обычными.

Использование крутильных колебаний при этих же режимах дает снижение М в 1,8 и 2,5 раза соответственно. а б

Рис. 1 Влияние направления амплитуды УЗК на момент развинчивания соединений, собранных с УЗК. а - £ =5мкм;б - £=15мкм; 1-осевые УЗК; 2-крутильные УЗК; 3-соединение собрано и разобрано без УЗК

Оценка непосредственного влияния ультразвука на показатели процесса сборки резьбовых соединений производилась следующим образом.

Соединение затягивалось с заданным моментом Мз без колебаний, а затем без снятия Мз подавались ультразвуковые колебания. Это приводило к возникновению дополнительного доворота болта. После этого определялся момент, необходимый для разборки соединения Мр.

Установлено, что величина угла доворота при постоянной величине момента затяжки пропорционально зависит от амплитуды ультразвуковых колебаний. Аналогичные результаты были получены и при затяжке резьбовых соединений М30х1 и М10х1,25. Установлено, что возникающее при затяжке дополнительное осевое перемещение в резьбе равно амплитуде ультразвуковых колебаний, накладываемых на болт, и объясняется изменением его длины, сопровождаемым разрывом контакта поверхностей сопряжения на величину %, компенсация которого производится прикладываемым моментом Мз.

Механизм воздействия ультразвука на процесс свинчивания резьбовых соединений определяется снижением напряженности процесса, происходящего вследствие изменения условий контактного взаимодействия поверхностей и снижения сопротивления пластическому деформированию, а причинами повышения прочности являются увеличение факти-

ческой площади контакта как за счет дискретности контактирования поверхностей при сборке, так и в результате образования продуктов износа, заполняющих микрорельеф, и интенсификации процесса образования адгезионных связей.

а 6

20 40 60 Мз,Нм 20 40 60 МдНм

Рис. 2 Влияние направления амплитуды УЗ К на момент развинчивания соединений, собранных с УЗК. а - £ =5мкм; б - % =15 мкм; 1-осевые УЗК; 2-крутильные УЗК; 3-соединение собрано и разобрано без УЗК

При наложении колебаний на болт, когда он является частью колебательной системы, поперечные деформации болта увеличивают его диаметр на Дс1=р1; ( Ц - коэффициент Пуассона) в один период колебаний, а в другой - уменьшает на ту же величину, в результате чего фактические давления в местах контакта в первый полупериод возрастают, а во второй - снижаются. Снижение сопротивления пластическому деформированию и сил трения ведут к уменьшению усилий затяжки, но одновременно облегчают процесс микрорезания неровностей контртела. Наблюдается образование продуктов износа, заполняющих впадины микрорельефа наклепанной стружкой, что приводит к увеличению площади контакта деталей, повышает силы трения и, как следствие, ведет к росту прочности соединения.

Установлено, что применение ультразвуковых колебаний повышает эффективность разборки резьбовых соединений и в случае, когда в соединении присутствуют различного вида наполнители, повышающие его прочность.

Исследовалось влияние ультразвуковых колебаний на эффективность отвинчивания резьбовых соединений. Болт был установлен на сле-

дующих связующих компонентах: на специальном герметике с ускоренным старением; специальной грунтовке с ускоренным старением; масляной краске с ускоренным старением; масляной краске без ускоренного старения.

И в этом случае под воздействием ультразвуковых колебаний происходит существенное снижение моментов, необходимых для развинчивания соединений. Так, наибольшее снижение момента в 6,12 раз наблюдается при установке на грунтовке с ускоренным старением, а наименьшее - в 5,17 раз при установке на масляной краске с ускоренным старением. При этом необходимо отметить, что в случае установки болта на масляной краске без ускоренного старения при отвинчивании необходимо было прикладывать момент 64,0 Нм (обычное) и 12,3 Нм (ультразвуковое) в течение всего периода отвинчивания, в то время как в остальных случаях после срыва соединения с места момент существенно уменьшался.

Установлено, что уменьшение момента связано с активным разрушением коррозионных и адгезионных связей и изменением диаметральных размеров детали.

Третья глава посвящена моделированию сборки резьбовых соединений при помощи программного комплекса А^У?, в условиях обычной и ультразвуковой сборки. Исследовались резьбовые соединения двух типов:

• Соединение двух деталей при помощи соединения болт-гайка;

• Соединение двух деталей при помощи болта.

Рассматривались двухмерные (2Б) модели. Эксперименты проводились для резьб М20х 1.5, М1 0x1.25, М30х1.

Материал - сталь 45, модуль упругости, Е=2-10и Па, коэффициент Пуассона Ц=0,3, предел текучести o^ - 3,8-108 Па, крутящий момент, прикладываемый при сборке - 7,5, 37,5, 80Нм. Параметры УЗК - амплитуда \ -5,10,15,20 мкм, частота 1=22 кГц.

Задача решалась пошагово. Построение геометрии деталей производилось с помощью подпрограммы геометрического моделирования программного комплекса А№У5. Для создания конечно-элементной модели предварительно определялся тип конечного элемента и его свойства.

На рис.3 приведена конечно-элементная модель соединения двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка.

В данной задаче использовалось непосредственное приложение условия симметрии к поверхности болта и наложение связей на узлы болта, гайки и соединяемых деталей. При этом принято следующей допущение: вследствие симметрии для решения задачи моделируется только У2 конструкции (180 градусов).

Силы, эквивалентные прикладываемому крутящему моменту прикладывались к торцу гайки, как показано на рис. 4.

На рис 5, 6, 7, 8 в качестве примера показаны полученные результаты расчетов соединения двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при обычной сборке, а на рис.9,10,11,12 полученные при ультразвуковой сборке с амплитудой £ = 5мкм.

Рис.3 Конечно - элементная модель соединения двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5

Моделирование проводилось также для сборки соединений с резьбой М20х1.5, М10х1.25, М30х1, собранного с приложением крутящего момента М=7.5, 37.5, 80Нм. Исследованиями установлено увеличение контактных давлений при наложении ультразвуковых колебаний. При этом увеличение значений контактных давлений зависит от величины амплитуды ультразвуковых колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем больше значения давлений. Однако увеличение величины давлений в контактах №1...№4 происходит неодинаково. Наибольшие давления наблюдаются между соединяемой деталью и гайкой (контакт №3), а наименьшие между соединяемыми деталями (контакт №2).

Максимальные контактные давления в контактах №1,2,3 в соединении с резьбой М10х1.25 выше, чем в соединениях М20х1,25 и М30х1. В контакте №1 и №3 это связано с меньшей площадью поверхности головки болта и гайки.

В контакте №2 величина давлений зависит от значения эквивалентной осевой силы. В соединениях с резьбой М20х1.5 и М30х1 значения эквивалентной осевой силы меньше, чем в соединении М10х1.25. Поэтому в этом случае детали, соединяемые при помощи резьбового соединения с резьбой М10х 1.25 подвергаются воздействию большей осевой силы.

Максимальные контактные давления в контакте №4 наблюдаются в витках резьбы М30х1. Это связано с тем, что в резьбе с меньшим шагом площадь контакта между витками болта и гайки меньше.

Исследования влияния шага резьбы на величину контактных давлений (рис.13) показали, что в резьбе с меньшим шагом значения контактных давлений больше вследствие уменьшения контакта поверхностей витков.

Аналогичная картина наблюдается при сравнении

максимальных контактных давлений в витках резьб всех исследовавшихся соединений. С целью проверки результатов экспериментов, выполненных по схеме, представленной на рис. 4, были выполнены эксперименты, выполненные по схеме, приведенной на рис. 14. Данная схема предполагает моделирование дополнительного доворо-та гайки при неизменной осевой силе при воздействии ультразвуковых колебаний.

Рис. 4 Приложение силы, эквивалентной крутящему моменту

ли

ЕШГ Ю. 1 _ О

3 ■564Е+07 В .135Е+08 _ .255Е+08 _ .375Е+08 В .495Е+08 _ .515Е+08 В .635Е+08 В .755Е+08 В .875Е+08 В .9Э5Е+08 = .107Е+09 Е .117Е+0Э К .127Е+09 В .137Е+09 .147Е+09 Л57Е+09 ■167Е+09 .177Е+09 •187Е+09 •197Е+09 .207Е+09 .217Е+09 .227Е+09 .237Е+09 •247Е+09

СП

СП □

СП СП Ш СП СИ пи

Рис. 5 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20xl.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при обычной сборке без наложения ультразвука. Контактные давления в контакте №1

/ш

ЕШГ ГО. 1 _ О

2 .149Е+07 2 .299Е+07 В .448Е+07 В .598Е+07 В .747Е+07 В .896Е+07 В .105Е-08 В .120Е+08 В .134Е+08 В .149Е+08 В .164Е+08 В .179Е+08 2 .194Е+08 В .209Е+08 •224Е+08

■ 239Е+08 .254Е+08 .269Е+08 •284Е+08

■ 299Е+08

■ 314Е+08 ■329Е+08 .344Е+08 .359Е+08 .373Е+08

ш

СИ

ш

Рис. 6 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при обычной сборке без наложения ультразвука. Контактные давления в контакте №2

Рис. 7 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при обычной сборке без наложения ультразвука. Контактные давления в контакте №3

Рис. 8 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5, собранного с приложением крутящего Момента М=80 Нм при обычной сборке без наложения ультразвука. Контактные давления в контакте №4

Рис 9 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при ультразвуковой сборке с амплитудой ^ =5мкм. Контактные давления в контакте № 1

Рис. 10 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М 20x1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при ультразвуковой сборке с амплитудой £ =5мкм. Контактные давления в контакте №2

Рис. 11 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М20х1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм при ультразвуковой сборке с амплитудой £ =5мкм. Контактные давления в контакте №3

Рис. 12 Соединение двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с резьбой М 20x1.5, собранного с приложением крутящего момента М=80 Нм, при ультразвуковой сборке с амплитудой £ =5мкм. Контактные давления в контакте №4

Рис. 13 Зависимость максимальных контактных давлений в контакте №4 от шага резьбы при сборке соединения двух деталей с помощью резьбового соединения болт-гайка с М=80Нм

Дополнительный доворот гайки моделировался путем смещения тела гайки относительно тел болта и соединяемой детали. Этим создавался натяг, эквивалентный довороту гайки при воздействии ультразвуковых колебаний. Полученные результаты контактных давлений имеют расхождение с данными, полученными в эксперименте по схеме рис. 4, не более 12%. Это позволяет сделать вывод о корректности постановки задачи. Таким образом, моделирование сборки двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка с приложением ультразвуковых колебаний можно производить как по схеме рис.4 так и по схеме рис. 14.

Механизм проведения виртуальных экспериментов соединения двух деталей при помощи болта алогичен механизму для соединения двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка. Окончательные выводы схожи с выводами, полученные в ходе эксперимента соединения двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка. И в случае соединения двух деталей при помощи болта применение ультразвуковых колебаний в процессе сборки приводит к увеличению контактных давлений в зонах контакта, и как следствие, повышению прочности соединения.

Сравнение максимальных контактных давлений, возникающих при сборке резьбового соединения болт-гайка и при сборке при помощи болта с различными крутящими моментами показало, что максимальные контактные давления между соединяемыми деталями наблюдаются в первом соединении как при обычной сборке, так и ультразвуковой.

В четвертой главе рассмотрены технологические методы повышения качества соединений путем применения ультразвука и внедрение результатов исследований в производстве. Основной отличительной особенностью этих способов является создание зазора в соединении и дополнительных сил при затяжке путем назначения соответствующих параметров ультразвуковых колебаний и режимов свинчивания.

В резьбовом соединении имеется гарантированный зазор Р. Тогда на этапе свинчивания при сообщении болту продольных ультразвуковых колебаний, а гайке - поперечных в разные полупериоды возникнет ситуация, показанная на рис.15. В первый и второй полупериоды вследствие изменения размеров деталей величина зазора составит АН и АК соответственно:

(1)

где а - угол профиля резьбы; - амплитуда поперечных колебаний; £ - амплитуда продольных колебаний.

Из условия постоянства гарантированного зазора при свинчивании получим соотношение между величинами амплитуд ультразвуковых ко-

Рис.14 Схема эксперимента, моделирующая дополнительный доворот гайки при воздействии ультразвуковых колебаний в процессе сборки двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайка

лебаний гайки и болта: {;„„„ = В этом случае силы трения при

свинчивании минимальны. Кроме снижения сил трения при свинчивании, рассмотренная схема введения ультразвука может быть применена при контроле параметров резьбы калибрами

Рис. 15 Схема изменения размеров деталей при сообщении болту продольных, а гайке -поперечных УЗК.

В связи с конверсией промышленности и необходимостью утилизации боеприпасов описанные выше технологии и устройства были внедрены для разборки взрывателей артиллерийских снарядов и самих снарядов, а также при ремонте магистральных нефтепроводов и автотранспорта.

ОБЩИЕВЫВОДЫ

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

2. Разработана методика и оборудование для исследования ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений в широком диапазоне прикладываемых моментов и ультразвуковых параметров.

3. На основе приведенных исследований выявлен физический механизм воздействия ультразвука на процессы сборки и разборки резьбовых соединений, позволяющий сделать вывод, что напряженность процессов и выходные параметры соединений определяются количеством акустической энергии, вводимой в зону сопряжения, и схемой ее введения. Установлено, что общими закономерностями при ультразвуковой сборке являются снижение сил и моментов, необходимых для образования соединений и их развинчивания, а также повышение прочности при свинчивании.

4. Установлено, что возникающее при затяжке резьбового соединения с ультразвуком дополнительное осевое перемещение в резьбе равно амплитуде ультразвуковых колебаний, накладываемых на болт и объясняется изменением его длины. Компенсация изменения размеров болта производится дополнительным его доворотом. При сообщении болту крутильных колебаний эта закономерность сохраняется, но в этом случае величина доворота зависит и от угла крутильных колебаний.

5. Предложен механизм воздействия ультразвука на процесс свинчивания резьбовых соединений. Снижение напряженности процесса происходит благодаря изменению условий контактного взаимодействия поверхностей и снижению сопротивления пластическому деформированию, а причинами повышения прочности являются увеличение фактической площади контакта как за счет дискретности контактирования поверхностей при сборке, так и в результате образования продуктов износа, заполняющих микрорельеф, и интенсификации процесса образования адгезионных связей.

6. Установлено, что применение ультразвуковых колебаний повышает эффективность разборки резьбовых соединений и в случае, когда в соединении присутствуют различные вида наполнители, повышающие его прочность. В зависимости от вида наполнителя момент развинчивания снижается в 5-6 раз.

7. Установлено, что при разборке резьбовых соединений наложение на деталь колебаний приводит к ее упругим продольным деформациям на величину амплитуды и поперечным деформациям диаметра на величину где - коэффициент Пуассона. Это способствует активному разрушению коррозионных и адгезионных связей, а изменение диаметральных размеров существенно уменьшает момент необходимый для развинчивания.

8. Разработаны конечно-элементные модели соединения двух деталей с использованием резьбового соединения «болт-гайка» при обычной сборке и сборке с продольными ультразвуковыми колебаниями, а также конечно-элементные модели соединения двух деталей с помощью болта.

9. Показано, что использование в процессе сборки ультразвуковых колебаний приводит к возрастанию максимальных давлений в зонах контакта, и, как следствие, повышение прочности соединения. Установлено, что величина контактных давлений пропорционально зависит от амплитуды колебаний.

10. Установлены закономерности изменения давлений в зонах контакта при сборке резьбовых соединений. Определены зоны, в которых устанавливаются максимальные и минимальные контактные давления. Показано влияние геометрических параметров резьбовых соединений на величину контактных давлений и прочности соединений.

11. Разработан комплекс конструкторско - технологических решений и рекомендаций, направленных на повышение эффективности ультразвука при сборке и дающих возможность управления качеством соединений, в том числе и средствами автоматизации. Это позволило внедрить в производство ряд новых технологических процессов ультразвуковой сборки и оборудование для их реализации.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Штриков Б.Л., Родимов ГА, Тепляков А.Ю., Хан Ф.Р. Повыше- . ние эффективности сборки прессовых соединений путем применения ультразвука // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002г. № 8, с. 2-6.

2. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю. Применение ультразвуковых ко-, лебаний для повышения эффективности разборки снарядов // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства», Волгоград, ВолГТУ, 2003 г., с. 3940.

3. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю. Применение ультразвуковых колебаний при сборке резьбовых соединений. // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства». Тезисы докладов международной научно-технической конференции, часть 2. Волгоград, ВолГТУ, 2003 г., с. 50-52.

4. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю. Моделирование резьбового соединения при помощи программного комплекса ANSYS// Материалы международной конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин». Самара, СамГТУ, 2003 г., с. 87-88

5. Тепляков А.Ю. Применение программного комплекса ANSYS для моделирования резьбовых соединений// Материалы всерос-

сийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск. 2003г., с.27-28.

6. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю. Применение метода конечных элементов для моделирования сборки резьбовых соединений. // Материалы международной конференции «Высокие технологии в машиностроении-2», г. Самара, СамГТУ, 2004 г., с.41-42

7. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю. Сборка резьбовых соединений с применением ультразвука // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2004. № 10, с. 2-8.

8. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю. Применение ультразвуковых колебаний при сборке и разборке резьбовых соединений // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2002г. № 7, с. 6-9.

Тираж 100 экз. Заказ №271

Отпечатано на ризографе.

Самарский государственный

технический университет.

Отдел типографии и оперативной полиграфии.

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

»23 4 80

Введение.

1. Повышение качества сборки соединений. Общее состояние вопроса и актуальность проблемы.

1.1. Основные направления повышения качества резьбовых соединений.

1.2 Сборка резьбовых соединений.

1.2.1 Нагрузки в резьбовых соединениях.

1.3. Применение колебаний для интенсификации процессов сборки.

2. Экспериментальное исследование процесса сборки резьбовых соединений в ультразвуковом поле.

2.1. Методика статистической обработки результатов экспериментов.

2.2 Оборудование, контрольно-измерительная аппаратура, образцы для исследований.

2.3 Исследование влияния ультразвука на процесс сборки и разборки резьбовых соединений.

Выводы по главе.

3. Разработка конечно-элементной модели процесса ультразвуковой сборки резьбовых соединений.

3.1 Методика применения метода конечных элементов.

3.2 Матричная форма записи основных соотношений теории упругости.

3.3 Основные этапы практической реализации метода конечных элементов (МКЭ).

3.4 Построение конечно-элементной модели резьбовых соединений.

3.5. Методика проведение виртуальных экспериментов сборки соединений на программном комплексе ANSYS.

3.5.1 Методика проведение виртуальных экспериментов сборки соединений двух деталей при помощи резьбового соединения болт-гайкана программном комплексе ANSYS.

3.5.2 Методика проведение виртуальных экспериментов сборки соединений двух деталей при помощи болтана программном комплексе ANSYS.

Выводы по главе.

4. Практическая реализация и внедрение результатов исследования.

4.1 Управление качеством резьбовых соединений.

4.2 Разработка и внедрение устройств для реализации процесса ультразвуковой сборки.

Повышение качества выпускаемой продукции, эффективности производства и создание конкурентно-способной продукции в условиях рыночной экономики неразрывно связаны с разработкой новых технологий, в том числе основанных на введение дополнительных видов энергии в зону формообразования и сборки. К числу эффективных методов сборки относится различные технологические процессы с применением ультразвука. Ультразвуковые методы сборки позволяют получить ряд новых неаддитивных эффектов, способствующих повышению производительности и качества.

Вследствие отклонений размеров, формы, относительного расположения и других параметров состояния поверхностей деталей при сборке приходится решать комплекс проблем, связанных с достижением точности замыкающего звена размерной цепи. Задача еще более усложняется при приложении рабочих нагрузок на соединение, поскольку образованные сборкой размерные связи нарушаются из-за контактных перемещений поверхностей сопряжения, что влечет за собой снижение эксплуатационных показателей соединений. Важная роль в достижении точности замыкающего звена размерной цепи принадлежит резьбовым соединениям.

Большой вклад в развитие науки о сборке внесли ученые Б.С.Балакшин, В.П.Бобров, Л.И.Волчкевич, А.Г.Герасимов, А.А.Гусев,

A.М.Дальский, Д.Я.Ильинский, Н.И.Камышный, И.И.Капустин, И.М.Колесов, В.В.Косилов, Л.Н.Кошкин, М.С.Лебедовский, А.Н.Малов, К.Я.Муценек, М.ПНовиков, Г.Я.Пановко, А.Н.Рабинович, Б.Л.Штриков,

B.А.Яхимович и др.

В то же время 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, И.В.Дунина-Барковского, Б.А.Кравченко,

А.А.Маталина, Д.Д.Папшева, А.С.Проникова, Э.В.Рыжова, А.М.Сулимы,

A.Г.Суслова, Л.В.Худобина, Ю.Г.Шнейдера, А.В.Якимова, П.И.Ящерицина и др. и получила дальнейшее развитие в исследованиях Б.М.Базрова,

B.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, Н.Б.Демкина, М.Н. Добычина, И.В. Крагельского, B.C. Комбалова, Н.М. Михина, А.В. Чичинадзе и др. по проблеме контактного взаимодействия поверхностей сопряжения.

Вмести с тем, несмотря на известные достоинства и большой интерес, проявляемый к ультразвуковой сборке в нашей стране и за рубежом, ее физико-технологические особенности и область рационального применения раскрыты еще недостаточно и требуют дальнейшего углубленного изучения. Целью настоящей работы являлось повышение эффективности сборки резьбовых соединений путем применения ультразвука на базе теоретических и экспериментальных исследований физического механизма процесса.

Для достижения поставленной цели в работе использованы основные теоретические положения технологии машиностроения, программный пакет ANSYS, основанный на методе конечных элементов. В экспериментальных исследованиях применена методика математического планирования эксперимента. Опыты проведены с использованием специальных и стандартных измерительных устройств на образцах и натурных изделиях. Обработка и анализ экспериментальных данных проводились с использованием ПЭВМ.

Достоверность научных положений, выводов и заключений обусловлена совпадением результатов численных расчетов параметров процесса, напряженно-деформированного состояния соединения с данными экспериментальных исследований и расчетом по известным зависимостям.

Проведенными исследованиями выявлен механизм воздействия ультразвука на процесс сборки резьбовых соединений, их прочность.

С помощью программного пакета ANSYS разработана конечно-элементная модель процесса ультразвуковой сборки резьбовых соединений, позволяющая производить комплексный анализ процесса, включая: расчет сил, возникающих при сборке резьбового соединения; определение напряженно-деформированного состояние резьбовых соединений; определение контактных давлений, возникающих при сборке резьбового соединения.

Определены оптимальные параметры процесса ультразвуковой сборки по критериям работоспособности резьбовых соединений и силовым параметрам процесса сборки.

Разработана и внедрена технология ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений, позволившая существенно снизить силовые параметры процесса и повысить эксплуатационные показатели соединений.

Разработаны методики расчета напряженно-деформированного состояния резьбовых соединений.

Основные положения, выносимые на защиту:

Общие и частные методики моделирования элементов ультразвуковой сборки, позволяющие научно обоснованно подойти к выявлению механизма воздействия ультразвука на основные параметры процесса.

Выявленные теоретическими и экспериментальными исследованиями основные особенности механики формирования контактных связей в соединении.

Разработанные конечно-элементные модели процесса ультразвуковой сборки резьбовых соединений; формирования напряженно-деформированного состояния соединения.

Автор приносит свою глубокую признательность научному руководителю доктору технических наук профессору Штрикову Б.Л. за повседневное внимание и руководство работой, а также коллективу кафедры "Автоматизация технологических процессов в машиностроении" Самарского Государственного технического университета за помощь, оказанную при выполнении исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

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

2. Разработана методика и оборудование для исследования ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений в широком диапазоне прикладываемых моментов и ультразвуковых параметров.

3. На основе приведенных исследований выявлен физический механизм воздействия ультразвука на процессы сборки и разборки резьбовых соединений, позволяющий сделать вывод, что напряженность процессов и выходные параметры соединений определяются количеством акустической энергии, вводимой в зону сопряжения, и схемой ее введения. Установлено, что общими закономерностями при ультразвуковой сборке являются снижение сил и моментов, необходимых для образования соединений, и их развинчивания, а также повышение прочности при свинчивании.

4. Установлено, что возникающее при затяжке резьбового соединения с ультразвуком дополнительное осевое перемещение в резьбе равно амплитуде ультразвуковых колебаний, накладываемых на болт и объясняется изменением его длины. Компенсация изменения размеров болта производится дополнительным его доворотом. При сообщении болту крутильных колебаний эта закономерность сохраняется, но в этом случае величина доворота зависит и от угла крутильных колебаний.

5. Предложен механизм воздействия ультразвука на процесс свинчивания резьбовых соединений. Снижение напряженности процесса происходит благодаря изменению условий контактного взаимодействия поверхностей и снижению сопротивления пластическому деформированию, а причинами повышения прочности являются увеличение фактической площади контакта как за счет дискретности контактирования поверхностей при сборке, так и в результате образования продуктов износа, заполняющих микрорельеф, и интенсификации процесса образования адгезионных связей.

6. Установлено, что применение ультразвуковых колебаний повышает эффективность разборки резьбовых соединений и в случае, когда в соединении присутствуют различные вида наполнители, повышающие его прочность. В зависимости от вида наполнителя момент развинчивания снижается в 5-6 раз.

7. Установлено, что при разборке резьбовых соединений наложение на деталь колебаний приводит к ее упругим продольным деформациям на величину амплитуды £, и поперечным деформациям диаметра на величину где ц- коэффициент Пуассона. Это способствует активному разрушению коррозионных и адгезионных связей, а изменение диаметральных размеров существенно уменьшает момент необходимый для развинчивания.

8. Разработаны конечно-элементные модели соединения двух деталей с использованием резьбового соединения «болт-гайка» при обычной сборке и сборке с продольными ультразвуковыми колебаниями, а также конечно-элементные модели соединения двух деталей с помощью болта.

9. Показано, что использование в процессе сборки ультразвуковых колебаний приводит к возрастанию максимальных контактных давлений в зонах контакта, и как следствие повышение прочности соединения. Установлено, что величина контактных давлений пропорционально зависит от амплитуды колебаний.

Ю.Установлены закономерности изменения давлений в зонах контакта при сборке резьбовых соединений. Определены зоны, в которых устанавливаются максимальные и минимальные контактные давления. Показано влияние геометрических параметров резьбовых соединений на величину контактных давлений и прочности соединений.

И.Разработан комплекс конструкторско - технологических решений и рекомендаций, направленных на повышение эффективности ультразвука при сборке и дающих возможность управления качеством соединений, в том числе и средствами автоматизации, что позволило внедрить в производство ряд новых технологических процессов ультразвуковой сборки и оборудование для их реализации.

1. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении / Под общ. ред. Капустина Н.М. -М.: Машиностроение, 1985.-304C.

2. Агранат Б.А., Банширов В.И., Китайгородский Ю.И. и др. Ультразвуковая технология. -М.: Машиностроение, 1974.-564 с.

3. А.с. 1448564(СССР) Устройство для сборки резьбовых соединений типа вал-втулка / Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

4. А.с. 1505770(СССР) Способ сборки резьбовых соединений / Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

5. А.с. 1553303(СССР) Способ сборки деталей/ Бакшис Б.П., Повеление А. Б.Б., Скучас И.Ю.

6. А.с. 1664494(СССР) Способ сборки деталей типа вал-втулка/ Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

7. А.с. 1689009(СССР) Устройство для сборки соединений/ Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

8. А.с. 1700352(СССР) Способ контроля параметров резьбы/ Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

9. А.с. 17007874(СССР) Способ сборки резьбовых соединений/ Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

10. А.с. 1731568(СССР) Способ сборки прессовых соединений типа вал-втулка/ Николаев В.А., Куликов М.А., Штриков Б.Л.

11. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения: В 2-х кн. -М.: Машиностроение .-1982- Кн.1. Технология станкостроения, 1982. 239с.

12. Беляев. Н.М. Сопротивление материалов.-М.Машиностроение.-1971.-856 с.

13. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. -М.: Металлургия, 1979.-496 с.

14. Берозашвили Г.В., Гудушаури Э.Г., Пановко Г.Я. Напрессовка деталей в условиях дополнительных вибраций //Вестник машиностроения.-1986.-№2.-с.51-53.

15. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Детали машин: Справочник М.: Машиностроение, 1968, 308 с.

16. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения.-М: Машиностроение, 1973 .-256 с.

17. Браславец А.В., Савченко Н.Ф. Интенсификация процесса пластического деформирования металлов за счет наложения ультразвуковых колебаний //Тезисы докладов конференции «Прогрессивные технологические процессы в машиностроении.- Харьков: ХПИ.-1990.-С.11.

18. Ваганов И.К. Нелинейные эффекты в ультразвуковой обработке. -Минск: Наука и техника, 1987.-158 с.

19. Вилль В.И. Сварка металлов трением. -JT. Машиностроение, 1970,-176 с.

20. Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка.-Л.:Лениз-дат,1973.-284 с.

21. Гельфанд М.Л., Ципенюк Я.И., Кузнецов O.K. Сборка резьбовых соединений. М.Машиностроение.-1978.-108 с.

22. Герасимов А.Г. Точность сборочных автоматов. -М. Машиностроение, 1967.-96 с.

23. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая аппаратура промышленного назначения .-М.:3нергия, 1967.-264 с.

24. Гибкие производственные системы сборки/ Алексеев П.У., Герасимов А.Г., Давыденко З.П. и др. ;Под общ. ред. Федотова А.И.-Л.Машиностроение.-1989.-349 с.

25. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. -М. Машиностроение.-1988.-256 с.

26. Гусев А.А. Адаптивные устройства сборочных машин. -М.: Машиностроение.-1979.-207 с.

27. Гусев А.А. Основные принципы построения сборочных гибких производственных систем. М. Машиностроение.-19.88,-68с.28,29.30,31