CC BY
16
на нижней части корпуса 1 имеются выступы, которые заходят в пазы, расположенные по наружному контуру наконечника 12
При подаче с генератора ультразвуковых колебаний (на рисунке не показан) напряжения синусоидальной формы и резонансной частоты на обкладки пьезокерамического преобразователя в виде пакета кольцеобразных элементов 2, он, изменяя вследствие обратного пьезоэффекта свои геометрические размеры, возбуждает механические колебания стержня 4, представляющего собой концентратор колебаний. В случае его выполнения в виде круглого стержня с экспоненциальным изменением сечения коэффициент трансформации может достигать 10. Будучи поджат к внутреннему торцу корпуса 1 стержень 4 передает на него продольные ультразвуковые колебания, которые распространяются по корпусу 1, торсиону 10 и наконечнику 12, взаимодействующему с гайкой (на рисунке не показана), обеспечивая ее затяжку. Торсион 10 выполнен в виде цилиндрической втулки с наклон-
ными винтовыми вырезами 11, способствующими дополнительному возбуждению крутильных колебаний. Корпус 1 выполнен в виде стакана с коническим и цилиндрическим участками на внутренней поверхности и представляет собой концентратор колебаний, коэффициент трансформации которого может достигать 10. Таким образом, суммарный коэффициент трансформации колебательной системы ультразвукового гайковерта может достигать 100.
С корпусом 1 с помощью двух фиксаторов 8 жестко соединена обойма 7, через которую передается вращающий момент, причем фиксаторы 8 размещены на корпусе 1 в зоне минимальных амплитуд колебаний (узловой линии нулевой амплитуды).
Разработанное устройство может найти применение для сборки и разборки резьбовых соединений, охваченных коррозией или расположенных в труднодоступных местах, а также может быть использовано для механизации монтажных и механосборочных работ в различных отраслях промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Биргер, И. А. Резьбовые и фланцевые соединения / И. А. Биргер, Г. Б. Иосилевич. - М: Машиностроение, 1990. - 368 с.
2. Нерубай, М. С. Физико - химические методы обработки и сборки / М. С. Нерубай, В. В. Калашников, Б. Л. Штриков, С. И. Яресько.- М: Машиностроение -1, 2005. - 396 с.
3. Шуваев, В. Г. Повышение надежности резьбовых соединений применением ультразвуковой сборки / В. Г. Шуваев, И. В. Шуваев // Известия самарского научного центра Российской академии наук, № 4(2), 2016. С.394-399.
4. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударно-импульсной затяжке резьбовых соединений // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 2531 мая, 2011. 2 том. С.230-231.
5. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Контроль качества затяжки резьбовых соединений при ультразвуковой сборке по динамическим характеристикам // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 25-31 мая, 2013. 2 том. С.276-278.
6. Патент РФ на изобретение № 2502591. Способ ультразвуковой сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев // 27.12.2013. Бюл. № 36.
УДК 621.883 (088.8) Шуваев В.Г.
ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
МетодОЛОГИЯ АДАПТИВНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГАРАНТИРОВАННОГО КАЧЕСТВА
В статье рассматриваются вопросы методологии ультразвуковой сборки резьбовых соединений с контролем качества по динамическим характеристикам колебательных процессов, возбуждаемых в соединении. Приведен разработанный способ адаптивного контроля степени затяжки резьбовых соединений, позволяющий по характеру скелетной кривой определять наступление предела текучести
Ключевые слова:
РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ, МЕТОДОЛОГИЯ, КОНТРОЛЬ ЗАТЯЖКИ, КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Отсутствие стабильности качества изделий машиностроения оказывает негативное воздействие на решение социально-экономических и научно-технических проблем, в связи с чем на первый план выдвигаются вопросы разработки принципиально новых технологий, интенсификации работ в области инженерии качества, обеспечивающих выпуск продукции наивысшего качества при заданной производительности и наименьших затратах труда. Целью процесса сборки является обеспечение главных показателей качества машиностроительной продукции - точности функциональных характеристик и эксплуатационной надежности, которые формируются и определяются технологическим путем на этапе сборки. К технологическому процессу сборки предъявляются требования высокой производительности, гарантируемого качества сборки изделий, экономической эффективности, гибкости, и т.д. [1].
Резьбовые соединения являются наиболее распространенным видом разборных соединений, которые во многом определяют надежность и безопасность конструкции. Важнейшим параметром качества резьбового соединения является сила затяжки. Сила затяжки создает заданное контактное напряжение на стыке соединяемых деталей, которое должно обеспечить необходимую плотность и герметичность стыка при действии на соединение внешних сил [2].
Одним из решений проблемы обеспечения требуемого качества резьбовых соединений является разработка методов и средств контроля текущей
информации, содержащейся в колебаниях, сопровождающих процесс ультразвуковой сборки, для целей адаптивного управления технологическим процессом. Получение информации о динамических характеристиках соединения непосредственно в процессе сборки позволяет уменьшить неопределённость в формировании показателей качества соединений, обеспечивает предупреждение о тенденциях изменения характеристик, дает возможность активного противодействия негативным изменениям в процессе затяжки и снижения рассеяния показателей точности соединений.
Цель работы состоит в разработке методологии повышения эффективности ультразвуковой сборки резьбовых соединений путём адаптивного управления технологическим процессом сборки на основе идентификации динамических характеристик формируемых соединений, причем методология рассматривается как организация деятельности по обеспечению качества формируемых резьбовых соединений.
Детали, поступающие на сборку, всегда имеют различные отклонения от номинального значения параметров, т.е. они несут индивидуальную наследственную информацию, причем в процессе сборки обязательно возникает силовой контакт собираемых деталей и технологического оборудования, т.е. действуют сосредоточенные и распределенные силы и моменты сил, вызывающие деформации собираемых деталей. Таким образом, действующие силовые факторы приводят к появлению погрешностей, которые могут комбинироваться при сборке
в самых разнообразных вариантах. Силовая картина нагружения определяется технологической средой, поэтому одни и те же соединения при изменении условий сборки будут отличаться показателями качества. В процессе сборки наиболее отчетливо сочетаются свойства соединяемых деталей и особенности проведения технологической операции, причем собираемые детали как бы теряют свои индивидуальные характеристики и выступают в собранном изделии в новом интегральном качестве.
Сборочный процесс через контактное взаимодействие деталей и деформации приводит к неравномерному распределению нормальных и касательных напряжений в местах контакта сопрягаемых поверхностей; возможны зоны упругого и пластического контактов, а также появление местного проскальзывания, что приводит к суммированию и перераспределению напряжений, ведущее к потере точности соединения. Рабочие напряжения, действующие в собранной машине или узле, производят вторичное перераспределение напряжений и деформаций в соединении, что, в свою очередь, изменяет напряженно-деформированное состояние изделий, и, как следствие, снижают их точность. Следовательно, оценку надежности и точности деталей следует вести с позиций возможного изменения их геометрических и физико-механических параметров при сборке и эксплуатации.
Управление процессом сборки и технический контроль формируемых соединений традиционно осуществляют путем измерения сил и моментов, прикладываемых к деталям и координат их относительного перемещения в процессе соединения. В последнее время все большее распространение при сборке получают ультразвуковые (УЗ) технологии, основными особенностями которых, определяющими их технологическую перспективность, являются:
высокая концентрация колебательной энергии, вводимой в зону контактирования деталей, что обеспечивает локальность воздействия при существенно меньших энергозатратах; малая инерционность процесса, являющаяся результатом прямого преобразования электрической энергии в энергию УЗ технологического воздействия; возможность использования возбуждаемых в процессе УЗ сборки колебаний, как в технологических, так и в диагностических целях [3,4].
Процессы передеформирования и разрушения материалов поверхностных слоев могут быть вызваны различными механизмами, действующими на микроуровне, причем активация того или иного механизма определяется совокупностью значений внешних факторов, действующих на материал. Наиболее существенное влияние на прочность материалов при ультразвуковой сборке оказывают напряжения, частота и амплитуда ультразвуковых колебаний, температура, а также химическая активность рабочих сред.
Динамическое нагружение при контактном взаимодействии поверхностей является механизмом накачки материала поверхностей точечными и другими дефектами, которые существенным образом влияют на состояние и свойства материала. На рис. 1 приведена разработанная схема энергетического баланса процесса пластической деформации контактирующих поверхностей в условиях введения дополнительных УЗ колебаний в формируемое резьбовое соединение. Первое слагаемое в условиях введение в систему УЗ колебаний следует рассматривать как суперпозицию термических и динамических воздействий. Оно содержит часть внутренней энергии системы, составляемую тепловыми колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки и часть внутренней энергии, составляемую колебательными ультразвуковыми воздействиями.
Рисунок 1 - Схема энергетического баланса процесса пластической деформации
при ультразвуковой сборке
При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойств металла, последний может деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки. Ультразвуковые колебания снижают статическое напряжение текучести аналогично нагреву, однако для достижения одного и того же эффекта при воздействии УЗК требуется значительно меньше энергии, чем при нагреве. Объясняется это различие тем, что ультразвуковая энергия поглощается в тех местах кристаллической решетки, которые являются носителями механизма пластической деформации (дислокации, границы зерен и т.д.), и почти не поглощается в свободных от дефектов зонах кристаллов [3,4].
Структурное состояние материала оценивают плотностью дислокаций Ы, плотностью запасенной энергии и или величиной внутреннего напряжения
течения стТ . Напряжение активации (эффективное напряжение) стэ определяется как разность между внешним приложенным напряжением ст и внутренним напряжением стт :
СТ — ст — стт •
Отсюда вытекают два пути активации материала: увеличивать внешнее напряжение, что связано с дополнительным внешним силовым воздействием на объект, или снижать внутреннее напряжение путем приложения УЗК, что является более экономичным воздействием с энергетической точки зрения.
В работе предлагается подход, при котором оценка показателей динамического качества проводится непосредственно в процессе формирования соединения, причем возбуждаемые в процессе
сборки УЗ колебания используются как в технологических, так и в диагностических целях в виде тестового резонансного воздействия на механическую систему. Принципиальным отличием предлагаемого подхода от используемых в настоящее время технологий сборки и испытаний изделий является наличие косвенной безразборной вибрационной диагностики, проводимой совместно с УЗ сборкой, и оценки фактического технического состояния изделия по характеристикам протекающих в нем механических динамических процессов. В этом случае соединение рассматривается как объект вибрационного диагностирования, причем в процессе формирования механического соединения происходит относительное перемещение и силовое контактное взаимодействие поверхностей соединяемых элементов, порождающее колебательные виброакустические процессы, которые несут информацию о состоянии соединения и используются для диагностики механизма [5,6].
Дополнительное введение ультразвуковых колебаний в формируемое в процессе сборки соединение переводит систему из статического в динамическое состояние, что позволяет получить следующие преимущества: технологические, связанные со снижением сборочных усилий, уменьшением трения, перекосов, несоосности, напряженно-деформированного состояния и т.д., информационные, заключающиеся в оперативном получении и обработке вибродиагностической информации, в возможности использовании компьютерных технологий - основы современного развития техники.
Объединение технологических и информационных задач на возможно более раннем этапе дает возможность объединить и учесть особенности процессов сборки и диагностики. С позиций системного подхода оптимизация степени сложности управления технологическим процессом предполагает повышение уровня информативности и управляемости процесса, учет как априорной информации о технологическом сборочном оборудовании, характеристиках материала деталей, микрогеометрии контактирующих поверхностей, так и получение оперативной текущей информации в процессе сборки, дающей возможность учитывать характеристики взаимодействия контактирующих поверхностей, особенности их влияния на статическое и динамическое состояния изделия.
Наиболее совершенным из применяемых в практике методов тарированной затяжки резьбовых соединений является метод, в соответствии с которым затяжка производится до достижения предела текучести материала болта, что позволяет добиваться максимального эффекта затяжки, наиболее полно используя прочностные свойства резьбового соединения. При достижении в процессе ультразвуковой сборки резьбового соединения предела те-
а з , к н
кучести начинает проявляться нелинейность упругой характеристики механической колебательной системы (нелинейность типа «насыщение»), вызванная наличием пластичности, что приводит к искажению амплитудно-частотной характеристики и возникновению скелетной кривой, выражающей связь между частотой и амплитудой колебаний системы. В случае, когда прикладываемая сила (момент) велика, что приводит к появлению пластических деформаций крепежных элементов (или собираемых деталей), система становится нелинейной, жесткость системы (ее коэффициент упругости) больше не является постоянной, частота (период) начинает зависеть от амплитуды колебаний, то есть поведение нелинейной системы зависит от амплитуды колебаний.
В случае снижения коэффициента жесткости при достижении предела текучести система имеет мягкую характеристику, и скелетная кривая оказывается искривленной влево (рис. 2)
Рисунок 2 - Скелетная кривая системы с мягкой характеристикой жесткости
При последовательном увеличении амплитуды силы возбуждения происходит уменьшение резонансной частоты колебаний и амплитудно-частотная характеристика имеет выраженный наклон в сторону меньших частот, а скелетная кривая соответствует мягкой характеристике жесткости. Полученная амплитудно-частотная зависимость напоминает резонансную кривую для линейной системы, однако резонансный пик несколько «деформирован» соответственно искривлению скелетной линии при мягкой характеристике. Если амплитуда синусоидального воздействия меняется, то пик резонансной кривой будет перемещаться по скелетной кривой, что и положено в основу предлагаемого способа контроля сборки резьбового соединения.
Для каждой крепежной детали можно рассчитать и изобразить графически зависимость между прикладываемым моментом, коэффициентом трения, величиной силы затяжки и пределами текучести и прочности (рис.3), что и положено в основу алгоритма УЗ сборки резьбовых соединений.
3 5
3 О
2 5
2 О
1 5
1 О
О
я ■
А «5 * ^^
• ----- -
х \ 1
/ х , 0 ■
/ XV - -
/ . - - - - ■
^¿й айг
1 О
1 5
2 О
2 5
3 О
3 5
4- О
4- 5
Мз , Н м
Рисунок 3 - Изменение силы затяжки в зависимости от прикладываемого момента и коэффициента трения
Разработан алгоритм ультразвуковой сборки резьбовых соединений, в соответствии с которым затяжку производят с использованием эффектов снижения предела текучести и трения при воздействии ультразвуковых колебаний [8, 9, 10]. Алгоритм работы состоит в следующем (рис. 4) . Производят предварительную затяжку резьбового соединения и одновременно в контролируемом изделии, состоящем из собираемых деталей 3 и 4, в процессе свинчивания возбуждают и принимают колебания. С помощью генератора электрических колебаний 16 в пьезокерамическом преобразователе 6 возбуждают механические колебания и усиливают по амплитуде концентратором 5. В процессе навинчивания гайки на болт резьбового соединения происходит обжатие собираемых деталей 3 и 4, что приводит к увеличению площади контактирования деталей и изменению жесткости и демпфирования колебательной механической системы. А это в свою очередь ведет к изменению резонансной частоты и коэффициента динамичности. Колебания, прошедшие через контролируемое соединение (болт 1, гайка 2 и собираемые детали 3 и 4), воспринимаются датчиком вибрации 9 и преобразуются в электрический сигнал, который после усиления в согласующем усилителе 10 поступает на входы частотомера 11 и измерителя 12 амплитуды вибрации. Сигнал с выхода измерителя 12 амплитуды вибрации поступает в блок 13 определения резонанса и первый вход программного блока 14. В состав блока 13 определения резонанса входит пиковый детектор, при помощи которого амплитуда вибрации запоминается в строгом соответствии «амплитуда-частота». Текущие значения амплитуды и частоты, поступающие на первый и третий входы программного блока 14, дают возможность построить амплитудно-частотную характеристику колебательной системы и определить текущее значение коэффициента динамичности. В программном блоке 14 предварительно устанавливают эталонные значения коэффициента динамичности для данного типа резьбового соединения.
При достижении текущим значением коэффициента динамичности установленного эталонного значения в программном блоке 14 фиксируется текущее значение резонансной частоты а> и выдаётся сигнал
на увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний генератора колебаний 16. Для нового значения амплитуды в программном блоке 14 фиксируется очередное значение резонансной частоты , которое
вычитается из предыдущего значения а> и определяется значение приращения резонансной частоты
А :
®п _ ®1 = А < 0 .
Рисунок 4 - Устройство для ультразвуковой сборки резьбовых соединений
При изменении знака приращения резонансной частоты А на отрицательный в программном блоке 14 фиксируется этот момент и выдается сигнал на прекращение затяжки резьбового соединения.
Предлагаемый способ сборки резьбовых соединений позволяет обеспечить гарантированное качество каждого соединения без ужесточения технологии изготовления и сборки деталей за счет использования дополнительных ультразвуковых колебаний и соответствующих средств контроля. Разработанное устройство позволяет строить амплитудно-частотную характеристику в процессе затяжки резьбового соединения, причём переход соединения в зону пластических деформаций немедленно скажется на амплитудно-частотной характеристике, придав ей форму «мягкой» скелетной кривой. Это явление и положено в основу разработанного алгоритма тарированной затяжки резьбовых соединений. Путём сравнения фактических и задаваемых значений осуществляется сближение протекающего процесса затяжки с заданной зависимостью и точное выведение степени нагружения соединяемых деталей в зону, близкую к пределу их упругих деформаций. Система обеспечивает номинальную силу затяжки, создаваемой резьбовой крепёжной деталью и позволяет устранить излишний запас прочности болта. Жесткий допуск на величину затяжки позволяет уменьшить металлоемкость резьбовых деталей, сократить габариты и массу механизма.
Оперативное получение диагностической информации непосредственно в процессе сборки позволяет применять адаптивные алгоритмы затяжки резьбовых соединений, гарантируя их качество.
ЛИТЕРАТУРА
1. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Технология сборки в машиностроении. Т. 111-5 / А.А. Гусев, В.В. Павлов, А.Г. Андреев и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. - 2006. - 640 с.
2. Биргер, И. А. Резьбовые и фланцевые соединения / И. А. Биргер, Г. Б. Иосилевич. - М: Машиностроение, 1990. - 368 с.
3. Нерубай, М. С. Физико - химические методы обработки и сборки / М. С. Нерубай, В. В. Калашников, Б. Л. Штриков, С. И. Яресько.- М: Машиностроение -1, 2005. - 396 с.
4. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1980. - 237 с.
5. 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.
6. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударно-импульсной затяжке резьбовых соединений // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2011. 2 том. С.230-231.
7. Шуваев В.Г., Шуваев И.В. Контроль качества затяжки резьбовых соединений при ультразвуковой сборке по динамическим характеристикам // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2013. 2 том. С.276-278.
8. Патент РФ на изобретение № 2319603. Способ ультразвуковой сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, Б.Л. Штриков, И.В. Шуваев // 20.03.2008. Бюл. №8.
9. Патент РФ № 2414339, МПК В23Р19/06; опубликовано 20.03.2011. Бюл. № 8. Способ сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев.
10. Патент РФ на изобретение № 2502591, МПК В23Р19/06; опубликовано 27.12.2013. Бюл. № 36. Способ ультразвуковой сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев.
