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

КчШЭТЗГ ЙЙСР ПО ДШН НАШ и ВЩИЙ школы ИОШОВВИЙ ОРДЕНА ТРЭДЭЕОГО ЯРАСЙОГО шит ОШШШЮТ№ШАЛШЯ 1ШЗПШТ

На оравах руиогооя

ОСТАШШ Ш

гошшк ншяиости '^олтоаж созшвмй

В ЦЯШШРШШ СТАЕШ

Сзюр^дьзоа» - 05.03.01 П^сщаасы ивгеЕПЛожоЗ а ,'^ф!В51Х0-тв1йгаче<гавйс<5р8<$0тя«. С?«нот я вкатруавЕГ?. 05.(«2. СЙ {<£зюгаоавд?исэ н двталя мает.

А 1 ? о р я $ в р а ;

даоовргвхрвя за осгеовзяга пеао9 огогггаз Еяадядата гезкичвазнк гатя

Моовва 1991

Работа выполнена в Московском отанкоинструментальном институте и научно-исследовательском центре Основ технологии и конструирования машин в Варшаве

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор БЕЛЯЕВ В.Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор ЮШКОВ B.C.

ISZZ-

- кандидат технических наук профессор КИРЕЕВ B.C.

Ведущая организация - КСПО -.Коломна

Зэцита состоится S-.uOkA 1992 г. в У V часов Ф & минут на заседании специализированного оовета К 063.42.05 в Московском отанкоинструментальном институте по адресу: 101472 ГСП Москва, К-55 Вадковский пер., д.За.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке Московского стэнноинструменгального института.

Автореферат разослан " C^jUfrfJ^ 199^. г.

Ученый секретарь Специализированного совета

к.т.н., доцонт ^ К). П. Поляков

ОШАЯ ХАРАКТКРИСТЖА РАБОТЫ

кутадьнооть темы основных направлениях экономического и социального развития осударственной промышленности предусматривается повысить про-зводятельность металлообрабатывающего оборудования, обеспечить пережавший выпуск металлорежущих станков с числовым программы»« управлением типа "обрабатывающий центр", существенно рас-ирить выпуск станков высокой и особо высокой точности.

Резьбовые соединения являются самыми распространенными азъемными соединениями во всех отраслях машиностроения. От «х адежности и долговечности в значительной мере зависит надеж-ость и долговечность машин.

Иктенсифакация режимов резания, применение легких сплавов, эвнх материалов и инструментов, увеличение скорости резания, гакяе применение специальных механизмов используемых в основам и автоматизированном металлообрабатывающем оборудовании впивает широкий спектр динамических нагрузок.

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

Повышение надежности болтовых соединений является важной [Дачей в машиностроении.

Например, в Краматорске на заводе тяжелых токарных станков время работы станков на регулируемых опорах наблюдается явле-е самоотвннчивания болтов - геометрическая точность станков дает.

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

болта. Ведутся разработки специальных програш болт I и II.

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

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

. В Польше существует проблема затяжки резьбовых соединений при монтаже корпусов двигателей и герметичности стыков. Определение максимального момента завинчивания на управляемой монтак-ном манипуляторе является задачей, которую необходимо решить»

Целью работы является повышение надежности болтовых соединений

в металлорежущих станках за счет повышения силы затяжка 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 аппаратр .теории упругости и пластичности. В качестве численного метода выбран метод конечных элементов в 4'орме метода перемепений, а таете использована теория малых упруго-пластических деформаций - метод Ньютока-Рафсина.

Научная новизва работы состоит в:

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

Г'I

— —

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

- минимизации максимальных напряжений при затяяке болтовых соединений,

- выявлении распределения нагрузок по ваткам резьбового соединения в упруго-пластической области.

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

- определить распределение нагрузки по виткам резьбовых соединений при заданной затяаке в упругом а упруго-иластйческои состоянии болта,

- определить максимальные напряжения при заданной затяжке резьбового соединения,

- определить диаметры винтов и необходимое усилие их затяжка, обеспечивающее надежность работы болтовых соединений в станках прн значительных несимметричных нагрузках,

- определить максимальный момент завинчивания при проектировании монтаяных 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 работа были доложены в Научно-исследовательском центре основ технология к конструкций машин, Институте автомобильной промышленности в Польше, а такие на' заседания ка$>едры основ конструирования машин Московского стонкоинструменгальноро 'институте.

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

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения /Основные результаты работа/ изложенных на И страницах машинописного текста, содержит рисунков П , таблиц 49 , список литературы из 1)0 наименованных и 2 приложений.

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

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

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

- импульсные нагрузки, параметры, которых априорно определить невозможно: от ударов в зазорах элементов привода, высокочастотные составляющие ори 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 определял? нагрузки на узлы.

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

Рассмотренные колебания вызывает динамические несимметричные нагрузки на узлы крепления, вызывая самоотвин' зание резьбовых соединений.

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

резьбовых соединений, приходится более 20$ 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 с одной стороны на понимание механизма самоотвинчивания, а с другой - на результаты расчетов с соответствующими коэффициентами запаса:

На основе вышеизложенного были сформулированы следующие задачи работы:

1. Разработать математические модели, связывающие силы н смещения при расчетах в упругой и упруго-пластической области.

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

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

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

'лава 2. Посвящена расчетам модели на ЭШ. Проведен наиболее вероятный анализ механизма ослабления затяжки резьбовых сое-дкений. Получены расчетные зависимости распределения напряде-ий по виткам резьбовых соединений для разных затяжек. Доводились расчеты для симметричных и несимметричных нагрузок.

Из анализа механизма самоотвод)чивания наиболее убедительным представляется механизм, изложенный в работах японских авторов, в которых ослабление затяхки резьбовых соединений объясняется изгибом е наклоном резьбового соединения при проскальзывании в резьбе ж наличием проскальзывания на опорной поверхности гайки, возникших при значительных несимметричных нагрузках.

Расчеты напряжений и смещений математической модели велись в систеае ossym на языке Fortran , разработанной в Польше. Алгоритм программы основывается на методе конечных элементов в соединении с-гармоническим анализом. В программе заложено, что смещения по оси симметричного тела определяются формулами:

Условную нагрузку для каждой координаты описывают формулы:

М

¿4

¿w J

HHARH , /

Z / vslf * Zj-smlfr)

„ ЩИШ ,

T= T° / £ ITj-'l-smltf+T/'cosif)

%

30 20

10

где: функция формы элемента зависимая от координат г я £

число членов ряда; - число узлов в элементе; I - номер гармоники; £ - ночер узла в алементе; J - коэффициент симметричной нагрузки; >4 - коэффициент несимметричной нагрузки. Указанные формулы являются основными алгоритма решения. По приведенному выче " алгоритму бил произведен расчет напряжений и взаимных перемещения соединения болт-гайка.

Характер распределения относител&ной нагрузки по виткам резьбовых соединений в упругой области представлен на рис. I.

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

Как следует из рисунка иеиболыцуп нагрузку несет первый виток, на следуэдих - нагрузка резко падает. Максимальные напряжения всегда возникают нз первом витке резьбы болта нозле впадины. Увеличение внешней нагрузки вызывает резкий рост максимальных напряжений, что видно из рис. 2.

Нарастание максимальных напряжений имеет линейный характер. Как видно из графике, при негрузке 5 даН/ш2 на опорную поверхность гайки напряжения достигают величины 37,11 даН/мм2, что превышает нижний предел разрушения материала. Этим можно объяснить тот факт, что 8552 всех поломок резьбовых соединений наступает во впадине первого витка. Наибольшие зоны пластических деформаций появляются во впадине первого витка.

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

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

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

- Кривые распределения- относительной нагрузки по виткам резьбы имеют тот же самый характер.

- Увэляячение осевого усилия повышает нагрузку а витках ляней-но, относительная нагрузка по виткам язиеняется незначительно .'

- Зоны пластических деформаций появляются на парном витка зо впадине, распространяются очень слабо на второй виток. На распределение! нагрузки по виткам резьбового создвнешш это влияния но оказывает.

- Максимальные напряжения возникают на первом витке во впадине, она определяют концентрацию напряжений.

Характерной чертой является то, что при изменении нагрузки максимальные напряжения дзозникапт в том . месте. На других витках выступают в аналогичных зонах - вблизи впадин.

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

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

Поперечное проскальзывание гайки относительно болта не наступает.

Самоотвинчивание при симметричных нагрузках на болтовое соединение не происходит.

• Несимметричная нагрузка - модель подвергается действии изгибающего момента. Распределение напряжений в витках резьбового соединения аналогично, как при симметричной нагрузке болта. Также определяются максимальные напряжения и концентрация нагрузки по виткам резьбы. Однако, поперечные смещения значительно выше продольных смещений, что вызывает явление еамо-отвинчнвания.

- 10 - '

Глава III. Изложена расчеты модели в упруго-пластической областЕ.

Проведен расчет нацряяений азгнба болга при перекосе опорно?, поверхности под гайкой. Из формул следует, что при затяжке болтового соединения до предела текучести болта увеличивается момент сопротивления сечения: в упругой зоне

fo * Ж

в пластической зоне без учета упрочнения материала

- u..f % •

ыомвнт вызывающий прогиб болта в пластическом состоянии увеличивается '

Мил iltfuy

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

Проведенные расчеты »модели в упруго-пластической области показывают, что:

кривые зависимости напряжений по виткам резьбовых соединений изменяются. Распределение нагрузки по виткам 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 кйизза впадин резьбы первых витков распространяются на пятый ваток и в глубину тела болта. Напряжения в пластических зонах редко превышают границу начала пластичности материала.

зрисзя Зукогсгогв з упругой ейгаста

псг.'р// ыпкоря ^¡'ЬцТлгСо.

Рис.3. Распределение нагрузки по виткам резьбового соо-инения в упругой и упруго-пласгяческой области.

Максимальные напряжения в упругой области, которые выступают на первом витке вблизи впадины, в упруго-пластической зоне, резко падавт и находятся ше граница предела текучести материала.

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

Глава 17. Рассматривается пример применения затяжки болтовых соединений до предела текучести.

Пропедеп анализ поведения максимальных напряжений на пзрвои витке резьбы болта.

Установлено,что затяяка до предела текучести ведет к снижению ¡»ксЕмальных 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 гайка.

1 | ■ 'А»

Рис.

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

Проведен расчет гокарно-впнторазного станке. Определены форма вынужденных колебаний станка при обработке поковка и усилия, действующие на опоры. Произведен расчет необходимых усилий затяжки болтов крепления в опоре, при котором не наступает явление самоотвинчивания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированные различные форт колебаний в станках я пх действие ва затянутые болтовые соединения позволяют выявать узлы, для которых существует опасность ослабления затяжки.

2. Разработанные математические кодола затетутих боятовых соедяа иеняЗ на основе иотодд коночного элемента позволяют установить взаимосвязь вежду а:влааа а сасзгяняш! в упругой в упруго-пдос-тнчесхоЗ области.

3. Проведенные расчеты в упругоа области эатяхка болтового соединения показывает, что а]» сазаетричиоу распределений нагрузки ша опорную поверхность гайки поперечные смещения узлов модели значительно мекьае, чем продольные, что устраняет явление самоотвиячиванвя.

4. Показано, что при несишетричной аалруэке на опорную поверхность гайки, вызванной язгвбшам колебаниями болтового соединения, поперечные смещения узлов модели значительно больне продольных, что может вызвать явление сшоотвинчиванвя.

5. Расчетным путей установлено, что максимальные напряжения в упругой области на первом витке болта резко возрастают до предела разрушения материала, чей объясняется 85^ всех поломок первого витка резьбовых соединений.

6. Выявлено распределение сил по ваткам резьбы в упруго-пластической области, которое характеризуется большей равномерность», чем в упругой области /распределение Н.В.Жуковского/. В упру-го-пластичоскоА области по нескольким первым виткам имеет место равномерное распределение нагрузки, на остальных витках нагрузка снижается линейно.

7« Рбзрзбояааа авгодкга р-асадта затянутых болтовых ооедгнеавЗ

в увруго-алостаческоЗ о&шсте яраивыительцо к отвжежа. В.-Позезаиб-, чхе гагюшг бодтоюто совдкяевЕЕ до пределе твку-' «»есть штучка«? ргсЕрдалсизе вйтрузкв во виткам рвзьби, сгшиет еякосшгышз капряяенкя, упрочняет поперечное сечено» болта ерз работе т гзгкб, уезяичишзт сод? грзнкя, что пошамт ве-дашоать соэденэйвя.

Д&яы рэкоцеадашв' ао шгткэ бастовав соедааенш! £ станвах в ее азя-грагс с кс^сг^с прзборов.

Соновыые работы автора по теме дасоертацаи:

Рящд^цб ЕгавйазАваа^, Еогэазоз ивв, 2. Две рабоэы находятся в печати. , .