автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение надежности болтовых соединений в металлорежущих станках

ГОСКОМИТЕТ РСФСР ЕЮ ДЫАМ НАУКИ и штаий школы МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗЗАМШ ОТШЭДИГГРШНШШЙ ШУППП

Нз зразах рукопяои

ОСТАШЮЕГЧ Ш.

¡ЮШШШ НАДШОСГИ 'ЗОЛТОВНХ содаяшЯ В 1ШАЛЮРЗШШ СТАНКАХ

Спешил ья ость - 05.03.01 Преде соя мэзаегеэояеЗ я /_|фпида-твх?шчесисЭ обработан. Сгакяк а ано!?р7ызггг. 05.02.03 МзняноавдвЕВЭ а дзт&га тот.

Ангорвфврз? дзоовргацяз кэ оозоввкзэ зпезоЗ стегает кэшшдата гксотаовна гарт?

Мвоява 1991

Работа выполнена в Московском станкоинструментальном институте и научно-исследовательском центре Оонов технологии и конструирования мачшн в Варшаве

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор БЕЛЯЕВ В.Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор ЮШКОВ B.C.

- кандидат технических наук профессор К11РЕЕВ B.C.

Ведущая организация - КСПО - Коломна

Защита соотоится 1992 г. в iN? часов

минут но эеседонми специализированного оонета К 063.42.05 в Московском станкоинструментальном институте по адресу: 101472 ГСП Москва, К-55 Вадковский пэр., д.За. ^ffi}

С даооертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского стаккоинструментального института.

Автореферат разослан "зЬ" _ I99__i/r.

iSyo

Ученый оекретарь Специализированного совета

к.т.н., доцент Ю.П.Поляков

• ОШЯ ХАРАКТКРИСТШ РАБОТЫ

: •дал 5

Акутальнооть темы

В основных направлениях экономического и социального развития государственной промышленности предусматривается повысить производительность металлообрабатывающего оборудования, обеспечить опережающий выпуск металлорежущих станков с числовым программным управлением типа "обрабатывающий центр", существенно расширить выпуск станков высокой и особо высокой точности.

Резьбовые соединения являются самими распространенными разъемными соединениями во всех отраслях машиностроения. От ах надежности и долговечности в значительной мере зависит надежность и долговечность машин.

Интенсификация реяимов резания, применение легких сплавов, новых материалов и инструментов, увеличение скорости резания, а также применение специальных механизмов используемых в основном и автоматизированном металлообрабатывающем оборудовании вызывает широкий спектр динамических нагрузок.

В то же время из эксплуатационных- наблюдений за надежностью станков, которые проводят некоторые фирмы, известно, что показатели качества станков в значительной мере зависят от состояния затянутых болтовых соединений.

Повышение надежности болтовых соединений является важной задачей в машиностроении.

Например, в Краматорске на заводе тяжелых токарных станков во время работы станков на регулируемых опорах наблюдается явление самоогвинчявания болтов - геометрическая точность станков падает.

В ФРГ - автомобильная промышленность ведет экспериментальные исследования по затяжке болтов до предела текучести материала

болта. Ведутся разработки специальных программ болт I к II.

Япония ведет исследования по ослаблении затяжка болтовых соединений. Анализируется распределение напряжений во впадинах резьбы винта при помощи функции комплексного переменного ддя повышения силы затяжки.

В Англии ведутся исследования влияния вибраций на ослабление силы затяжки, а также всесторонние исследования конструкций резьбовых соединений и их поломок.

. В Польше существует проблема затякки резьбовых соединений при монтаже корпусов двигателей и герметичности стыков. Определение максимального момента завинчиванвя на управляемой нонтая-ноы манипуляторе является задачей, которую необходимо решить.

Целью работы является повышение надеаности болтовых соединений

в металлорежущих станках за счет повышения силы затяЕки на основе' теоретических исследований, напряжений и смещений в резьбовых соединениях.

Общая методика исследований

Результаты работы получены путем теоретических исследований. Расчеты основаны на использовании общих положений сопротивления материалов, деталей машин и динамики станков.

Расчеты на ЭВМ выполнены с использованием современного математического аппарату.теории упругости и пластичности. В качестве численного метода выбран метод конечных элементов в <$орме мотода перемепений, а также использована теория, малых упруго-пластических деформаций - метод Ньютона-Рофсыа.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке математических моделей, связывающих силы, напряжения и смещения при расчете болтовых соединений в упругой и упруго-пластической области,

- определении взаимосвязей напряжений, зон пластичности и взаимных смещений болта и гайки,

- минимизации максимальных напряжений при затяжке болтовых соединений,

- выявлении распределения нагрузок по виткам резьбового соединения в упруго-лла.стической области.

Практическая ценность работы заключается в том, что с помощью разработанных математических моделей и расчета стало возможным:

- определять распределение нагрузки по виткам резьбовых соединений при заданной затялке в упругом и упруго-пластическом состоянии болта,

- определить максимальные напряжения при заданной зат^яе резьбового соединения,

- определить диаметры винтотв и необходимое усилие ах затяют, обеспечивающее надежность работы болтовых соединений в станках при значительных несимметричных нагрузках,

- определить максимальный момент завинчивания при проектировании монтадных управляемых манипуляторов.

Реализация работы.

Результаты работы будут переданы Научно-исследовательскому центру основ технологии и конструкций машин в Польше. Они. используются при проектировании новых моделей монтаяных управляемых манипуляторов.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены в Научно-исследовательском центре осноз технологии к конструкций машин. Институте автомобильной про^аилвнности в Польше, а такна на заседания кафедры основ конструирования машин Московского станкоинструмзнтального 'института.

Публикации. По теме диссертации опубликована I работа, две находятся в печати.

Ооъеи работн. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения /Основные результаты работы/ изложенных на Л страницах машинописного текста, содержит рисунков /6 , таблиц 49 , список литературы из наименованных и 2 прилокений.

Глава I. Посвящена анализу работ, рассматривающих колебания в металлорежущих станках, состоянию вопроса и исследований по теме диссертации, постановке задач работы.

Динамические нагрузки, действующие в станках, иогут быть разделены на две группы:

- периодические нагрузки, параметры которых могут быть вычислены в зависимости от параметров станка, деталей и режимов обработка,

- импульсные нагрузки, параметры, которых априорно определить невозможно: от ударов в зазорах элементов привода, высокочастотные составляющие при врезаниях и выходах инструмента, а также импульсов сил инерции в станках с гидроприводом.

Колебания элементов упругой системы станка, возникающие под действием динамических нагрузок обеих групп определяют нагрузк* на узлы.

В работе рассмотрены различные формы колебаний, деталей, узлов и станков.

Рассмотренные колебания вызывают динамические несимметричные нагрузки на узлы крепления, вызывая самоотвин1. вание резьбовых соединений.

Эксплуатационные наблюдения за надежностью станков, которые проводят ведущие станкостроительные СКВ страны, показывают, что в стенках, работающих со значительными динамическими нагрузками, на долю отказов, связанных с ослаблением уатяжки

резьбовых соединений, приходится более 2056 отказов определяемых механической системой станка. В отдельных случаях время, необходимое для восстановления работоспособности станка после наступления такого отказа, составляет более 10% от времени его наработки на отказ.

Несмотря на то, что стабильность затяжки резьбовых соединений оказывает существенное влияние на работоспособность станков, количество работ, посвященных исследованию этого вопроса, явно недостаточно, а они не позволяют сформулировать каких-либо обобщений.

Поэтому разработка мероприятий, обеспечивающих стабильность затяжки, должна опираться о одной стороны на понимание механизма самоотванчивания, а с другой - на результаты расчетов с соответствующими коэффициентами запаса:

На основе виаеизлояенного были сформулированы следующие задача работы:

1. Разработать математические модели, связывакщие силы в смещения при расчетах в упругой в упрухо-пластической области.

2. Разработать методику расчета распределения нагрузок по виткам резьбы болтового соединения.

3. Исследовать поведение затянутых болтовых соединений в области предела текучести материала.

4. Разработать рекомендации по совершенствованию параметров болтовых соединений, ведущие к стабилизации затяжки.

Глава 2. Посвящена расчетам модели на ЭШ. Проведен наиболее вероятный анализ механизма ослабления затяжки резьбовых соединений. Получены расчетные зависимости распределения напряжений по виткам резьбовых соединений для разных затяжек. Проводились расчеты для самметричных и несимметричных нагрузок.

Из анализа механизма сакоотвинчивания наиболее убедительным представляется механизм, кзлозенкый в работах японских авторов, в которых ослабление затяхки резьбовых соединений объясняется изгибом и наклоном резьбового соединения при проскальзывании в резьбе к наличием проскальзывания на опорной поверхности гайки, возникших при значительных несимметричных нагрузках.

Расчеты напряжений и смещений математической модели вслшсь в системе озэум на языке гоатяли , разработанной в Полызе. Алгоритм программы основывается на методе конечных элементов б соединений с гармоническим анализом, В программе заложено, что смещения по оса симметричного тела определяются формулами:

и * £М{гг) -[иг* ¿_ (и,5 и» 5ЙIР)]

£к , л МАИМ .

V • АМГгг) Ы + Е + ^ Ип1*)]

N

к/

14

Условную нагрузку для каждой координаты описывают формулы: АГШ/?

я.* Я'+И 7' ' Е

%

30 20

10

где: 'J(ri)- Функция формы элемента зависимая от координату и S tfMR)î~ число членов ряда;

- число узлов в элементе;

- номер гармоники;

- номер узла в алемонгв;

- коэффициент симметричной нагрузки;

- коэффициент несимметричной нагрузки. Указанные формулы является основными алгоритма реиения.

По приведенному вычш алгоритму был произведен расчет напряжений и взаимна* перемещений соединения болт-гайка.

Характер распределения относительной нагрузки но виткам резьбовых соединений в упругой области представлен но ряс. I.

С

I

J

А

ч № -Г—.1 . "

XJ

Рио. I. Распределение относительной нагрузки по виткам резьбовых соединений в упругой области

Как следует из рисунка неиболыцую нагрузку несет первый виток» на следующих - нагрузка резно падает. Максимальные напряжения всегда возникают нз первом витке резьбы болтя возле впадины. Увеличение внешней нагрузки вызывает резкий рост максимальных напряжений, что видно из ряс. 2.

Нарастание максимальных напряжений имеет линейный характер. Как видно из графика, при нагрузке 5 даН/мм^ на опорку® поверхность гайки напряжения достигают величины 37,11 даН/ым2, что превышает низший предел разрушения материала. Этим можно объяснить тот факт, что В5% всех поломок резьбовых соединений наступает во впадине первого витка. Наибольшие зоны пластических деформаций появляются во впадине первого вятка.

Смещения характеристических точек болта и гайки указывают, что при внешней симметричной нагрузке, продольные смещения значительно больше поперечных. При несимметричной - поперечные смещения превышают продольные, что ведет к явлению самоотвинчявания. Расчеты модели болт-гайка показали, что:

- кривые зависимости напряжений от номера витка для разных нагрузок имеют аналогичный характер.

- Наибольшую нагрузку принимает первый виток, на следущих витках нагрузка резко падает.

- Кривые распределения относительной нагрузки по виткам резьбы имеют Т£>1, же самый характер.

- Уволяичоние осевого усплвя повышает нагрузку к витках ляней-но, относительная нагрузка по виткам изменяется незначительно.'

- Зоны пластических деформаций появляются на первом витка зо впадине, распространяются очень слабо на второй вяток. На распределение нагрузки по виткам резьбового соединения это влияния не оказывает.

- Ыаксамальныэ напряжения возникают на первом витке во впадине, они определяют концентрацию напряжений.

Характерной чертой является то, что при изменении нагрузил максимальные напряжения возникают в точ ж . месте. На других витках выступают в аналогичных зонах - вблизи впадин.

- Увеличение осевого усилия ведет к линейному росту максимальных напряжений на первом витке резьб», величина которого быстро превышает пределы текучести материала болта.

- Анализируя деформации модели при симметричных нагрузках на. опорную поверхность гайки, можно сделать следующие вывода: характеристические точки сечения модели смещаются продольно в десятки, сотки раз больше чем поперек.

Поперечное проскальзывание гайка относительно болта не наступает.

Самоотвинчивание при симметричных нагрузках на болтовое соединение не происходит.

- Несимметричная нагрузка модель подвергается действию изгибающего момента. Распределение напряжений в витках резьбового соединения аналогично, как при симметричной нагрузке болта. Также определяются максимальные напряжения г концентрация нагрузки по вчткам резьбы. Однако,-поперечные смещения значительно выше продольных смещений, что вызывает явление самоотвинчивания.

- ю

Глава III. Изложены расчеты кодела в упруго-пластической области.

Проведен расчет наиряяеннй иэгаба болта при перекосе опорной поверхностЕ под гайкой. Из формул следует, что при затяжке болтового соединения до предела текучести болта увеличивается ыомел? сопротивления сечения: в упругой зоне

Щ " 12

в пластической зоне без учета упрочнения штериала t/n *

lia * 43

h/y

момент вызывающий прогиб болта в пластическом состоянии увеличиваете?

Иип'**-^' il M и у

Расчет прочности резьбовых соединений основан на использовании теории малых упруго-пластических деформаций /метод Ныотона-Ра|>-сона/ и метода конечных элементов в форме метода перемещений.

Проведенные расчеты даодели в упруго-пластической области показывают, что:

кривые зависимости напряжений по виткам резьбовых соединений изменяются. Распределение нагрузки по виткак становится более благоприятным.

На рис.3 показано распределение нагрузки по виткам резьбовых соединений в упругой и упруго-пластической области. Зоны пластических деформаций, которые появляются в элементах вблизи впадин резьбы первых витков распространяются на пятый ваток и в глубину тела болта. Напряжения в пластических зонах редко превышают границу начала пластичности материала.

правая Жзпойсазгз з упругой о&глогй

К№р(/ ВИТКоМЭ ^¿ипна.

Рас.З. Распределение нагрузка по виткам резьбового соо~иненяя в упругой и упруго-пласткческой области.

Максимальные напряжения в упругой области, которые выступают на первом вятке вблаза впадины, в упруго-пластической зоне, резко падают а находятся япе границу предела текучести материала.

Увеличение осевой силы з упруго-пластической области ведет к увеличению пластических деформаций, концентрация напряжений "расплывается" что ликвидирует зарождение поломок.

Глава IУ. Рассматривается прхмер применения затяяка болтовых соедянензй до предела текучестя.

Проведен анализ поведения максимальных напряжений на первом нитяе резьба болта.

Установлено,что затяжка до предела текучести ведет к снижению максимальных напряжений, которые являются очагами разрушения соединения.

На ряс.4 показано поведение максимальных напряжений на первом витке резьбы в зависимости от роста нагрузки на опорной поверхности гайки.

а

Рио. 4. Максимальные напряжения на первом витке в зависимости от нагрузки на опорной поверхности гайки

Проведен расчет токарно-вингорезного отанка. Определены форма вынужденных колебаний станка при обработке поковки и усилия, действующие на опоры. Произведен расчет необходимых усилий затяжки болтов крепления в опоре, при котором не наступает явление сомоотвинчивания.

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЦ

1. Проанализировавшие различные колебаний в станках я ах дэЯствае на затянутые бодтоше соединения позволяют шявагь узлы, для которах существует опасность оодабленаяг затяаин.

2. Разработанные иатенлтячоснио кодзлы затянутых болтовых соадшг неннЗ иа осноез метода гоночного элеаоита позволяет установить взасаосвязь иезду салаиа и см«зенвяма в упругой а упруг о-плес-тпческой областа.

3. ПроЕэденкие расчеты в упругой области затяжка болтового соединения показывают, что ара сЕмотрлчноа распределении нагрузка на опорнуп поверхность гайка поперечина сыедэикя узлов модели значительно кэньпэ, чаи продольные, что устраняет явление секоотвиячаваиия.

4. Показано, что пра нэсиммэтричиой напрузка иа опорную повзрх-ность гайха, вызванной язгябшшя колебаниями болтового соединения, поверочные смещения узлов подели значительно больше продольных, что ыохет вызвать явление сажютвинчившнл.

5. Расчетным путей установлено, что иансгкалыше напряжения а упругой области на первом ватке болта резв» возрастает до прадеда разрушения материала, чем объясняется 85? всех поломок первого ввтхо резьбовых соединений.

6. Выявлено распределение с ал по ваткам резьбы в упруго-пласт»-чесной области, которое характеризуется большей равноиераостьв, чем в упругой области /распределение Я,Е.Жуковского/. Б упру-го-оласгнчоскоЯ области во нескольким первым витка« имеет место равномерное распределение нагрузки, на остальных витках нагрузка снижается линейно.

Г Л «

" л. **

7. Разработав« кетодшн» раочзга saтт^хях йолтохш ооодшкшгЗ в jrepyro-asocîaseoKefi ойшзт врздегшт&шю к етааш».

8. • Ео;сгзскс, ч-кэ ескшаиа бслтоуого ооадаскйй до предала sesy-

' «геста р^спредвдзасй нагрузка по zztkcu рззьйи, cassaoï

иазокаалькнв кеирягаавя, y п гочаяох цояерзчноо свчеввз ôassa Eps работе вд Езгиб, уБзякчашэ? овду spsjisa» ч*о аосаааег ве-

двжносгь сошк18вв£. ,

8. Даян рзкоцездышЕ во вэтгжкс боятошг. савдднэнкй ю станках в ОС контролю С ВС&ХХ&В прзборов.

Ооновнне работы вЕгора по теме диссертации:

1, Ол(арко*п'*х. J-

as oik «S-sat^giAla v pafc^cesû стьАовдаегадсй

CÏM SiiS.sCsicà âcÔsr«aJSp;nB3s ®SB«®3SlSfÇ3S«»ia olq Ахай». »ssagR^Ê Ki^àcaiaœs', ^asreeœ&a SIS,

2, Две рабогы находятся в печам;.____________