CC BY
18
УДК 621.7: 621.81
DOI 10.21685/2072-3059-2018-3-11
И. И. Воячек, Д. В. Кочетков, С. Г. Митясов
ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ ПРИ СБОРКЕ ДЕТАЛЕЙ ПУТЕМ ЗАПРЕССОВКИ
Аннотация.
Актуальность и цели. Прочностные требования к соединениям деталей с натягом часто обеспечиваются нерациональным образом: увеличиваются габариты узла, применяются более напряженные посадки и т.д. В последнее время установлена эффективность применения полимерных анаэробных материалов при сборке соединений с натягом и других неподвижных соединений, которые полимеризуются в пустотах зоны контакта деталей и повышают прочность соединения. Сборку с применением анаэробных материалов целесообразно осуществлять только для тех соединений, которые не могут надежно передать эксплуатационную нагрузку. Разработан способ сборки соединений с натягом продольным методом (путем запрессовки), в котором реализуется идея избирательного упрочнения. Цель работы - разработать методику достоверного определения необходимости и момента нанесения упрочняющего анаэробного материала в процессе запрессовки деталей на основе прогнозирования конечного усилия запрессовки.
Материалы и методы. Используется разработанный метод прогнозирования значения конечного усилия запрессовки как критерия прочности соединения с натягом на основе измерения и анализа его текущих значений в процессе запрессовки. Приводится пример реализации способа с использованием экспериментальных данных. В качестве материала для упрочнения соединения применяется анаэробный материал.
Результаты и выводы. Предлагается способ сборки соединений с натягом путем запрессовки с избирательным применением упрочняющего материала. Разработана методика достоверного определения необходимости и момента нанесения анаэробного материала при сборке деталей на основе прогнозирования конечного усилия запрессовки по результатам его текущих значений и выполнения ряда условий. Учитывается потенциально возможное упрочнение соединения в данный момент запрессовки. Уменьшаются затраты, так как упрочняются только те соединения, прочность которых недостаточна, а для ряда соединений упрочняющий материал наносится только на сравнительно небольшую часть их номинальной площади. Сборка соединений с натягом с реализацией идеи избирательного упрочнения позволяет обеспечить их эксплуатационную надежность наиболее рациональным образом.
Ключевые слова: соединение с натягом, сборка, избирательное упрочнение, усилие запрессовки, анаэробный материал.
I.I. Voyachek, D. V. Kochetkov, S. G. Mityasov
ELECTRODIC TERMINATION OF TIGHTENING CONNECTIONS WHILE ASSEMBLING THE PARTS BY WRAPPING
© Воячек И. И., Кочетков Д. В., Митясов С. Г., 2018. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.Org/licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
Abstract.
Background. Strength requirements for joints of parts with interference are often provided in an irrational way: the dimensions of the unit increase, more tight fitings are applied, etc. Recently, the effectiveness of the use of polymeric anaerobic materials in the assembly of joints with interference and other fixed joints has been established, which polymerize in the cavities of the contact area of parts and increase the strength of the joint. Assembly using anaerobic materials is advisable only for those compounds that can not reliably transfer the operational load. A method for assembling joints with interference by the longitudinal method (by pressing) is developed, in which the idea of selective hardening is realized. The aim of the work is to develop a technique for reliable determination of the need and the moment of application of reinforcing anaerobic material in the process of pressing parts on the basis of predicting the final pressing force.
Materials and methods. The developed method is used to predict the value of the final pressing force as a criterion for the strength of the joint with interference, based on the measurement and analysis of its current values during the pressing process. An example of implementation of the method using experimental data is given. Anaerobic material is used as the material for compound strengthening.
Results and conclusions. A method is proposed for assembling joints with interference by pressing with selective use of reinforcing material. The technique of reliable determination of the necessity and the moment of application of anaerobic material for the assembly of parts based on the prediction of the final pressing force based on the results of its current values and the fulfillment of a number of conditions has been developed. Potentially possible hardening of the joint at the given moment of pressing is taken into account. Costs are reduced, since only those compounds are strengthened, the strength of which is insufficient, and for a number of joints, the reinforcing material is applied only to a relatively small part of their nominal area. The assembly of connections with interference with the realization of the idea of selective hardening makes it possible to ensure their operational reliability in the most rational manner.
Keywords: connection with tension, assembly, selective hardening, pressing force, anaerobic material.
Введение
Соединения с натягом (ССН), собираемые путем запрессовки, применяются в различных изделиях машиностроения и приборостроения. Обычно ССН предназначены для передачи эксплуатационных нагрузок, поэтому к ним предъявляются повышенные прочностные требования, которые часто достигаются нерациональным образом: увеличиваются габариты узла, применяются более напряженные посадки, используются дополнительные крепления и т.д. В последнее время опубликованы работы, которые доказывают эффективность применения полимерных анаэробных материалов при сборке ССН и других соединений [1-4], которые полимеризуются в пустотах зоны контакта деталей, воспринимают эксплуатационную нагрузку и повышают прочность соединения.
Рациональное применение анаэробных материалов заключается в том, чтобы применять упрочняющий анаэробный материал (АМ) только при сборке тех соединений, которые не могут надежно передать эксплуатационную нагрузку.
Известно, что натяг в пределах одной посадки изменяется в несколько раз. При этом соединения, имеющие средний и высокий уровень натягов, мо-
гут надежно передавать эксплуатационную нагрузку и их упрочнение является нерациональным, так как приводит к дополнительным затратам. Кроме того, для некоторых соединений достаточно нанести упрочняющий материал на ограниченную часть соединяемых поверхностей, что также приведет к дополнительной экономии при реализации способа [3].
Для рационального применения АМ разработан способ сборки ССН продольным методом (путем запрессовки) [5], в котором реализуется идея избирательного упрочнения.
1. Описание способа соединения деталей с натягом путем запрессовки с избирательным упрочнением
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что сначала осуществляют частичную запрессовку деталей с измерением усилия запрессовки, а затем для части соединений на свободные участки соединяемых поверхностей одной или обеих деталей наносят упрочняющий соединение материал, например АМ, после чего осуществляют их последующую допрессовку.
На рис. 1 приведена схема осуществления предлагаемого способа соединения. Показан момент частичной запрессовки соединения с натягом с посадочным диаметром D на длину l с усилием запрессовки в данный момент ^ (необходимая полная длина ССН - L). Если усилие ^ меньше необходимого значения, то на свободные участки соединяемых поверхностей вала 1 и/или втулки 2 наносят анаэробный материал. Затем соединение до-прессовывают до конечного положения, когда длина соединения станет равной L.
Рис. 1. Схема осуществления способа: 1 - вал; 2 - втулка
Момент, когда следует наносить анаэробный материал, определяют, например, измеряя усилие запрессовки ^ и сравнивая его с заданным значением, связанным с известной максимальной сдвиговой нагрузкой, действующей на соединение в процессе его эксплуатации. Причем при этом сравнении могут возникать ситуации, когда упрочняющий материал наносить не следует, т.е. соединение обладает достаточной прочностью и дополнительного упрочнения не требует.
Таким образом, существенно уменьшаются затраты на упрочнение соединения, так как упрочняются только те соединения, которые с высокой
степенью вероятности не смогут передать эксплуатационную нагрузку без упрочнения, причем для ряда соединений материал наносится только на сравнительно небольшую часть площади соединения.
2. Методика достоверного определения необходимости и момента нанесения упрочняющего анаэробного материала при сборке деталей
Главное при реализации разработанного способа - это достоверно определить момент, когда необходимо нанести АМ.
В описании патента [5] предлагается анаэробный материал наносить тогда, когда текущее значение усилия запрессовки в определенный момент времени примет значение
тЗ < ТЭп1, (1)
где Г^ - усилие запрессовки; ГЭ - максимальная сдвиговая нагрузка в осевом направлении, действующая на соединение в процессе его эксплуатации; п = 1,1... 2,5 - коэффициент запаса прочности соединения, обычно назначаемый при проектировании в зависимости от ответственности соединения; 3 -длина соединения с натягом; I - длина частичной запрессовки деталей.
Однако критерий (1) не учитывает историю изменения усилия в процессе запрессовки и, например, при достаточно резком уменьшении усилия в данный момент времени (за счет волнистости или отклонений формы поверхностей, так как при этом изменяется среднее значение натяга) данный критерий может ложно указать на необходимость упрочнения соединения. Кроме того, критерий (1) не учитывает потенциально возможное значение дополнительного упрочнения соединения в данный момент запрессовки (в начальный момент запрессовки возможно максимальное упрочнение, в конечный момент - минимальное).
Чтобы уменьшить вероятность «ложной тревоги» и повысить эффективность реализации разработанного способа, необходимо с высокой достоверностью прогнозировать конечное усилие запрессовки по результатам прошедшего этапа запрессовки с учетом того, что текущее значение усилия в реальности изменяется нелинейно и даже немонотонно (рис. 2, кривая 1) из-за влияния отклонений формы, волнистости сопрягаемых поверхностей деталей и других факторов. Необходимо также учитывать потенциальное значение величины упрочнения.
Данную проблему предлагается решить следующим образом.
В процессе сборки (запрессовки) проверяется условие
Гз +ЛГ/АМ >ГЭп, (2)
З
где Тз - усилие запрессовки при соединении деталей на необходимую (полную) длину 3; ЛГ/^ - добавочная прочность соединения при нанесении
э
АМ в момент запрессовки на длину I; Г п - эксплуатационная осевая нагрузка ГЭ с учетом коэффициента запаса прочности п .
Рис. 2. Изменение усилия сборки (запрессовки) в зависимости от длины соединения с результатами прогнозирования и иллюстрацией возможности упрочнения путем нанесения АМ: 1 - фактическое усилие запрессовки Г и фиксируемые точки; 2 - прогнозируемое значение конечного усилия запрессовки T', определенное при k = 3 ; 3 - прогнозируемое значение конечного усилия запрессовки T', определенное при k = 4 ; 4 - величина возможного добавления прочности за счет нанесения АМ на обе сопрягаемые поверхности при запрессовке на величину l; 5 - величина возможного добавления прочности за счет нанесения АМ на одну из сопрягаемых поверхностей при запрессовке на величину l
При выполнении условия (2) АМ не наносится.
Если АМ наносится на одну из сопрягаемых поверхностей (вала или отверстия втулки), а соединение в этот момент уже запрессовано на длину l < L , то величина упрочнения после сборки и полимеризации АМ равна
аг/ам =АГ^м ^, (3)
где АТ^ - величина упрочнения при нанесении АМ по всей сопрягаемой
поверхности до сборки (запрессовки).
Если АМ наносится на обе сопрягаемые поверхности (вала и отверстия втулки), то
АГ/ЛМ =АТАМ при 0 < 1 < 0,5, (4)
АГАМ = 2 АГ^М - при 0,5 <1 < 1,0. (5)
Величина Т^ в процессе запрессовки (до ее окончания) неизвестна, но ее можно прогнозировать, фиксируя динамику нарастания усилия относительного сдвига деталей в процессе запрессовки. Для этого зависимость уси-
лия сборки от текущей длины запрессовки Гр = / (I) аппроксимируется линейной функцией
Г? = / (I ) = г3 • Ь . (6)
Очевидно, что тД0 = 0 при I = 0; тДь = при I = Ь .
Практическая реализация процесса прогнозирования усилия относительного сдвига деталей в конце запрессовки, т.е. прочности соединения, заключается в следующем. Вся длина запрессовки Ь разбивается на т интервалов (точек) и фиксируется значение усилия запрессовки в каждой текущей точке к . Если интервал равен Л, то т = Ь/Л1.
Текущий прогноз величины усилия запрессовки в конце сборки обозначается как гЬ к . Это прогноз в тот момент, когда при запрессовке пройдена к -я точка ( = 1, 2, 3... к , к < т). Значение Г^к определяется методом наименьших квадратов по к -точкам по формуле
к !
т1 к = пттттт • <7>
§ (Ь.
где Ц - длина запрессовки в точке /; Тф { - фактическое усилие запрессовки в точке /.
Число точек, участвующих в прогнозном определении тЬ к, методом
наименьших квадратов увеличивается в процессе запрессовки начиная со значения к = 3 и заканчивая значением к = т — 1. Естественно, что достоверность прогноза при этом возрастает.
При нанесении АМ на обе сопрягаемые поверхности процесс прогнозирования конечного усилия запрессовки целесообразно начинать с точки к = т/ 2.
Условие (2) в дискретном виде (в фиксируемой точке к ) выглядит следующим образом:
тЬ,к +ЛЛ >ГЭп . (8)
Если данное условие выполняется, то АМ не наносится.
Однако с учетом дискретности прогнозирования и инерционности процесса к условию (7) нужно добавить условие, учитывающее возможное
упрочнение соединения в следующей за к фиксируемой точке к +1 - ЛГк+1
тЬ,к +ЛГкАМ <ГЭп . (9)
Если одновременно выполняются условия (8) и (9), то необходимо упрочнять соединение и наносить АМ.
Процесс запрессовки останавливается, упрочняющий анаэробный материал наносится (вручную или автоматически) на свободные участки одной или обеих сопрягаемых поверхностей. Затем процесс запрессовки продолжается. При автоматизации нанесения АМ процесс запрессовки можно не останавливать. В том случае, когда АМ наносится на одну из сопрягаемых поверхностей, то наносить его нужно так, чтобы упрочненный участок находился со стороны приложения эксплуатационной нагрузки. Соотношения (3), (4), (5) в дискретном виде имеют вид
Дм =АТАМ ^ j , (10)
ДМ = дД при 0 < - < 0,5, (11)
m
ДТам = 2ДТ^М fl_-1 при 0,5 <-< 1,0. (12)
^ m) m
Для определения ДТ-^у также используются зависимости (10), (11) и (12), в которых вместо k подставляется k + 1.
Величину ДТ/АМ можно определить расчетным или экспериментальным путем. Известно [1], что относительная фактическая площадь контакта сопрягаемых поверхностей деталей в соединении с натягом обычно находится в диапазоне
Пг. a = A = 0,05^0,2, (13)
Aa
где Ar - фактическая площадь контакта; Aa =п D L - номинальная площадь соединения (D и L - диаметр и длина соединения).
Меньшее значение в соотношении (13) характерно для малонапряженных посадок с небольшим относительным натягом, большее значение - для посадок со значительным уровнем натяга.
Таким образом, АМ после сборки ССН может находиться в зоне контакта деталей на площади
ААМ = Aa _ Ar =Х Aa (1 _Пг. a ), (14)
где Х = 0,8...0,9 - коэффициент, учитывающий, что АМ заполняет пустоты зоны контакта деталей на 80-90 %.
Следовательно, величина ДТ^^ определяется следующим образом:
ДД =С X Aa (1 _ Пг. a ), (15)
где ^сд1 - сдвиговая прочность АМ после полимеризации.
С учетом предполагаемого упрочнения соединения при сборке с АМ посадка с натягом выбирается следующим образом. Чтобы обеспечить заданную эксплуатационную прочность ССН, необходимо выполнить условие
Tn min +ATiAM >TЭn , (16)
где Tn min - прочность ССН при сдвиге в осевом направлении при минимальном натяге посадки. Из(16)следует
Tn min > TЭ n-ATLÄM . (17)
Затем определяется необходимое минимальное значение контактного давления />тщ и минимальный натяг Nmin по известным зависимостям [5]:
Pmin = (18)
п DLf
^min pminD
cb + свт
ев евт
(19)
^шт = Яти +АМК, (20)
где / - коэффициент трения в ССН при осевом сдвиге (распрессовке); Св и Свт - коэффициенты Ляме для вала и втулки; Ев и Евт - модули упругости материалов вала и втулки; - поправка на срез и смятие неровностей на сопрягаемых поверхностях деталей при запрессовке.
Выбирается стандартная посадка с минимальным натягом из
условия
> N ■ (21)
"шт—"шт- К*-1)
3. Пример реализации разработанной технологии сборки соединения с натягом
Исходные данные: ТЭп = 10 кН, А7^М = 4 кН, тАМ = 10 МПа , В = 10 мм, Ь = 20 мм , т = ЦА1 = 20/2 = 10.
Предполагается, что АМ наносится на одну из сопрягаемых поверхностей, поэтому используется формула (10) или зависимость 5 на рис. 2. Полученные экспериментальные и расчетные данные сведены в табл. 1.
Таблица 1
Данные для определения (прогнозирования) конечного усилия запрессовки
Номер фиксируемой точки к = / 1 2 3 4 5
Относительная длина запрессовки Ь 0 0,1 0,2 0,3 0,4
Усилие запрессовки в данной точке т, кН 0 2,0 1,5 1,7 -
Возможное добавление прочности при нанесении АМ в данной точке Ат" (расчет по формуле (10), кН 4,0 3,6 3,2 2,8 2,4
Прогнозирование значения конечного усилия запрессовки осуществляется по формуле (7) при к = 3 (рис. 2, зависимость 2):
к }
Т1к = ф*. = 0++°.221-5 = 10 кН=1,
' Е ^ 1Ь | 0 + 0,12 + 0,22
следовательно, АМ не наносится.
Производится прогнозирование значения конечного усилия запрессовки при к = 4 (рис. 2, зависимость 3):
З 0,5 + 0,3-1,7 < э п
ТЬ,к =-= 7,21 кН<Т п .
0,05 + 0,32
Проверяется условие (8):
ТьЗ к +АТкАМ =7,21 + 2,8 = 10,01 кН >ТЭп,
условие выполняется.
Проверяется дополнительное условие (9):
Тькк + АТа+М =7,21 + 2,4 = 9,61 кН < ТЭп,
условие выполняется, необходимо наносить (например, на сопрягаемую поверхность вала) упрочняющий анаэробный материал в момент запрессовки, соответствующий точке к = 4 или при запрессовке на длину I = 6 мм .
После нанесения АМ запрессовка осуществляется на длину ССН Ь = 20 мм . Соединение выдерживается до полимеризации АМ и определяется достигнутая прочность по усилию относительного сдвига деталей, которое составило Т?д = 11,2 кН > ТЭп . Прочность ССН обеспечена.
Заключение
Разработана методика достоверного определения необходимости и момента нанесения упрочняющего анаэробного материала при сборке деталей на основе прогнозирования значения конечного усилия запрессовки по результатам его текущих значений и выполнения ряда условий, позволяющая рациональным образом применить разработанный способ соединения деталей с натягом [4], в котором реализуется идея избирательного упрочнения. Методика также учитывает потенциально возможное упрочнение соединения в данный момент запрессовки.
Реализация данного способа соединения деталей с натягом путем запрессовки позволяет существенно уменьшить затраты на упрочнение соединения, так как упрочняются только те соединения, которые с высокой степенью вероятности не обеспечат передачу эксплуатационной нагрузки без упрочнения, причем для ряда соединений материал наносится только на сравнительно небольшую часть номинальной площади соединения.
Сборка ССН с реализацией идеи избирательного упрочнения позволяет
обеспечить эксплуатационную надежность соединений с натягом наиболее
рациональным образом.
Библиографический список
1. Воячек, И. И. Совершенствование технологии сборки и проектирования соединений с натягом с применением анаэробных материалов / И. И. Воячек, Е. А. Евстифеева // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2008. - № 7. -С. 3-6.
2. Воячек, И. И. Комплексное повышение эксплуатационных характеристик резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами / И. И. Воячек, Д. В. Кочетков // Вестник машиностроения. - 2017. - № 2. - С. 41-46.
3. Воячек, И. И. Избирательное упрочнение соединений с натягом при сборке с анаэробными материалами / И. И. Воячек, Д. В. Кочетков, С. Г. Митясов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. -№ 2 (34). - С. 192-204.
4. Мягков, В. Д. Допуски и посадки : справочник : в 2 ч. / В. Д. Мягков, М. А. Палей, А. Б. Романов, В. А. Брагинский. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. - Ч. 1. - 543 с.
5. Пат. 2357111 С1 Российская Федерация, МПК F16B 4/00, B23P 11/02, B23P 19/02. Способ соединения деталей с натягом / Воячек И. И., Евстифеева Е. А., Воячек Л. Г., Мамаева В. П. - № 2007145996/11 ; заявл. 10.12.2007 ; опубл. 27.05.2009, Бюл. № 15.
References
1. Voyachek I. I., Evstifeeva E. A. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii [Assembly in mechanical and instrument engineering]. 2008, no. 7, pp. 3-6.
2. Voyachek I. I., Kochetkov D. V. Vestnik mashinostroeniya [Bulletin of mechanical engineering]. 2017, no. 2, pp. 41-46.
3. Voyachek I. I., Kochetkov D. V., Mityasov S. G. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2015, no. 2 (34), pp. 192-204.
4. Myagkov V. D., Paley M. A., Romanov A. B., Braginskiy V. A. Dopuski i posadki: spravochnik: v 2 ch. [Limits and fits: reference book: in 2 parts]. 6th ed., rev. and suppl. Leningrad: Mashinostroenie, Leningr. otd-nie, 1982, part 1, 543 p.
5. Pat. 2357111 S1 Russian Federation, MPK F16B 4/00, B23P 11/02, B23P 19/02 Sposob soedineniya detaley s natyagom [A method of tension connection of parts]. Voyachek I. I., Evstifeeva E. A., Voyachek L. G., Mamaeva V. P. No. 2007145996/11; appl. 10.12.2007; publ. 27.05.2009, bul. no. 15.
Воячек Игорь Иванович
доктор технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Voyachek Igor' Ivanovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of machine building technology, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Кочетков Денис Викторович
кандидат технических наук, доцент, кафедра компьютерного проектирования технологического оборудования, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Kochetkov Denis Viktorovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of technological equipment CAD, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Митясов Сергей Геннадьевич
заместитель генерального директора по производству, ООО «СтанкоМашСтрой» (Россия, г. Пенза, ул. Германа Титова, 9)
E-mail: [email protected]
Mityasov Sergey Gennad'evich Deputy director for production, "StankoMashStroy" OJSC (9 Germana Titova street, Penza, Russia)
УДК 621.7: 621.81 Воячек, И. И.
Избирательное упрочнение соединений с натягом при сборке деталей путем запрессовки / И. И. Воячек, Д. В. Кочетков, С. Г. Митясов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2018. - № 3 (47). - С. 113-123. - БОТ 10.21685/2072-3059-2018-3-11.
