CC BY
89
1
УДК 621.883 (088.8)
Шуваев В.Г., Шуваев И.В.
Самарский государственный технический университет
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКЕ ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы ультразвуковой затяжки резьбовых соединений с контролем качества по динамическим характеристикам колебательных процессов, возбуждаемых в соединении.
Ключевые слова: резьбовое соединение, контроль затяжки, колебательные процессы, динамиче-
ские характеристики.
Широкое применение резьбовых соединений в машиностроении определяется возможностью создания больших осевых сил сжатия деталей при небольшой силе, приложенной к ключу, удобными формами и малыми габаритными размерами, а также взаимозаменяемостью деталей со стандартной резьбой. Эффективность процесса сборки и качество собранного соединения зависят от того, насколько эффективно с точки зрения последующей эксплуатации сформированы функциональные показатели резьбового соединения - статическая прочность, усталостная прочность, стопорящие свойства и их стабильность и т.д. Во многих конструкциях резьбовые соединения являются ответственными узлами, определяющими надежность, прочность и безопасность всего механизма.
При недостаточной или чрезмерной силе затяжки резьбовое соединение не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям по надежности и качеству, поэтому к обеспечению точности силы затяжки предъявляются повышенные требования.
В процессе сборки резьбовых соединений работа момента, прикладываемого к болту, распределяется на полезную работу по созданию силы предварительной затяжки, по преодолению сил трения в резьбовой части и в местах контактирования с собираемыми деталями, причем до 90 % работы момента на ключе идет на преодоление сил трения, и только 10 % затрачивается на полезное формирование силы затяжки. На этапе затяжки происходит силовое замыкание соединяемых деталей, сопровождаемое изменением напряженно-деформированного состояния соединения и микрогеометрии резьбы, окончательно формируются эксплуатационные свойства резьбовых соединений [1].
В процессе эксплуатации происходит обмятие микровыступов контактирующих поверхностей резьбового соединения, появление пластических деформаций, ведущих к потере стопорящих свойств соединения, а в условиях перепадов температуры и вибраций - к самоотвинчиванию соединения.
Для технологического обеспечения стабильности стопорящих свойств в процессе эксплуатации необходимо осуществить перенос возникновения пластических деформаций из стадии эксплуатации в технологию сборки. (поменял абзацы местами и разбил второй абзац) Существующие методы и средства контроля затяжки резьбовых соединений не обеспечивают достоверной фиксации начала пластических деформаций, что существенно снижает эффективность соединения, приводит к необходимости неоправданного увеличения размеров крепежных элементов.
Повысить эффективность процесса сборки возможно приложением дополнительных вибрационных и ударных воздействий и контролем динамических характеристик колебательных процессов, возникающих в формируемом резьбовом соединении. Принципиальной особенностью такого сборочного процесса является то, что на обычную кинематическую схему процесса накладываются дополнительные колебания соединяемых деталей в направлении одной из координатных осей x, у или z. Приложение УЗ колебаний при сжатии и растяжении материалов способствует снижению сопротивления пластической деформации, пределов текучести и прочности, снижению коэффициента трения, причем действие УЗ колебаний на металл является обратимым и в случае прекращения колебательных воздействий механические характеристики материала восстанавливаются [2, 3].
Авторами предлагается совместить ударно - импульсный и ультразвуковой методы сборки резьбовых соединений, одновременно прикладывая в процессе сборки кинетическую энергию ударного воздействия и энергию упругих механических колебаний. Технологические преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что за счет приложения ультразвуковых колебаний совместно с ударными воздействиями в соединении происходят изменения кинематических условий контактирования поверхностей, снижается трение, а также изменяется характер напряженного состояния металла в зоне трения. К информационным особенностям разработанного устройства относится возбуждение в соединяемом изделии УЗ гармонических колебаний частотой 20 кГц и затухающих колебаний от ударных воздействий.
На рис. 1 представлена схема разработанного гайковерта [4], позволяющего совместить ультразвуковые и ударные воздействия при формировании резьбового соединения. Ударный механизм включает боек 1 и наковальню 2. При последовательных ударных взаимодействиях бойка и наковальни вращательные импульсы передаются через шпиндель 3 и ключ 4 на гайку 5, которая затягивается с необходимой силой. Под действием силы затяжки болт 8 растягивается, и стягиваемые детали 6 и 7 сжимаются. При подаче на обкладки пьезокерамического преобразователя электрических колебаний резонансной частоты он изменяет свои геометрические размеры вследствие обратного пьезоэффекта и возбуждает упругие механические колебания, которые усиливаются по амплитуде концентратором и передаются на головку болта 8.
2
Колебания, прошедшие через соединение, воспринимаются датчиком вибрации 13, закрепленным на одной из собираемых деталей, и преобразуются в электрический сигнал, который поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16 и после преобразования подается на вход персонального компьютера (ПК) 15. Для автоматической настройки на резонанс с выхода ПК сигнал в цифровом виде подается на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 17, с выхода которого аналоговый сигнал поступает на перестраиваемый по частоте генератор ультразвуковых колебаний 14, причем одновременно с этим осуществляется приложение ударно-вращательных импульсов, под воздействием которых резьбовые соединения затягивают за несколько ударных циклов.
Разработанное устройство позволяет строить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в процессе затяжки резьбового соединения, причём переход соединения в зону пластических деформаций сопровождается снижением упругих свойств, что скажется на АЧХ, придав ей форму «мягкой» скелетной кривой. Это явление и положено в основу разработанного алгоритма тарированной затяжки резьбовых соединений. Путём сравнения фактических и эталонных значений АЧХ осуществляется сближение протекающего процесса затяжки с заданной зависимостью и точное выведение степени нагружения крепежных деталей в зону, близкую к пределу их упругих деформаций.
Система обеспечивает номинальную силу затяжки, создаваемую резьбовой крепёжной деталью и позволяет устранить излишний запас прочности болта. Проведенные лабораторные исследования показали эффективность применения разработанной методики затяжки резьбовых соединений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Технология сборки в машиностроении. Т. III-5 / А.А. Гусев, В.В. Павлов, А.Г. Андреев и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. - 2006. - 640 с.
2. Повышение работоспособности резьбовых соединений путем применения ультразвука при обработке и сборке: монография / Б.Л. Штриков, В.В. Головкин, В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев. - М.: Машиностроение, 2009. - 125 с.
3. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударноимпульсной затяжке резьбовых соединений // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2011. 2 том. С.230-231.
4. Патент РФ № 2414339, МПК В23Р19/06; опубликовано 20.03.2011. Бюл. № 8. Способ сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев.
