Информационные технологии в повышении надежности и качества прессовых соединений при ультразвуковой сборке

Штриков Б.Л., Шуваев В.Г., Лаптев В.А. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПОВЫШЕНИИ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКЕ

Прессовые соединения получили широкое распространение в машино- и приборостроении благодаря хорошим функциональным показателям, технологичности изготовления, отсутствию дополнительных крепежных деталей, простоте сборочного оборудования. В таких соединениях охватываемая деталь имеет наружный диаметр больший, чем диаметр отверстия охватывающей детали и в процессе сборки при относительном продольном перемещении происходит деформирование металла деталей, что приводит к возникновению на поверхности контакта значительных нормальных давлений и сил трения, которые препятствуют сдвигу деталей.

Контактные связи, формируемые при сборке деталей, определяют с одной стороны силовые и точностные параметры самого технологического процесса соединения деталей, а с другой - эксплуатационные показатели собранных узлов. 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. Кроме того, значения параметров соединений с натягом в значительной степени зависят от скорости изменения координат связей сопрягаемых поверхностей.

Основную сложность в управление процессом запрессовки вносят сборочные погрешности, к которым относят отклонения размеров, формы и взаимного положения поверхностей собираемых деталей, некачественную обработку сопрягаемых поверхностей, неточности взаимного расположения узлов на позиции сборки, нарушение условий сборки, неточности функционирования сборочного оборудования и т.д. При этом сила запрессовки для различных периодов процесса соединения деталей имеет различное значение, она растет от нуля до некоторого максимального значения и для сборки продольно-прессовых соединений с гарантированным натягом, может быть определена из зависимости:

Р3 = 1тр Р*Ы,

где I - постепенно возрастающая высота цилиндрической поверхности контакта, / - статический коэф-

фициент трения, Р- контактное давление.

В определенных пределах управлять формированием параметров контактного взаимодействия деталей позволяет ультразвуковая (УЗ) сборка [1]. Использование высокочастотных колебаний малой амплитуды дает возможность интенсифицировать сборочный процесс, что обусловлено рядом специфических особенностей воздействия УЗ, к числу которых относятся значительное снижение сил сопротивления при сборке, самоцентрирование деталей, повышение эксплуатационных характеристик соединений путем направленного воздействия на формируемые характеристики контактирующих поверхностей, а также возможность механизации и автоматизации технологического процесса. Определяющими параметрами при ультразвуковой сборке служат статическое усилие, скорость и время сборки, а также амплитуда, частота и схема введения дополнительных колебаний в соединяемые детали [2]. На рисунке 1 представлена схема ввода дополнительных колебательных воздействий в процессе сборки и показаны основные информативные параметры, характеризующие как технологический процесс сборки, так и показатели формируемого соединения.

классические формируемое

показатели М----

р=цц соединение

Рис. 1. Схема взаимодействия силового прессового оборудования и дополнительных УЗК в процессе сборки

В настоящем сообщении рассматриваются вопросы повышения качества, надежности и долговечности прессовых соединений на основе междисциплинарного подхода, объединяющего технологию ультразвуковой сборки и вибрационную диагностику динамических характеристик формируемого соединения. Изменение характера взаимодействия поверхностей контакта при дополнительном введении в зону сопряжения ультразвуковых колебаний оказывает существенное влияние, как на сам технологический процесс сборки, так и на формируемые параметры качества соединений. Ультразвуковые колебания оказывают влияние на силу трения и на процессы пластического деформирования, как при параллельной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно поверхностей контактирования. Комбинированное воздействие ультразвуковых и статических нагрузок на соединяемые детали способствует уменьшению усилия запрессовки и снижению энергоемкости процесса, уменьшает перекосы и деформации деталей. Введение в зону контактирования ультразвуковых колебаний является эффективным средством направленного регулирования основных показателей качества поверхностного слоя, в том числе тонкой кристаллической структуры, деформационного упрочнения и остаточных напряжений.

Наряду с исследованием вопросов активного технологического воздействия ультразвука на процессы контактного взаимодействия деталей при сборке, авторами разработаны способы получения диагностической информации о параметрах формируемого соединения на основе анализа характеристик колебательных процессов [2,3].

Отличительной чертой механических соединений является невозможность прямой оценки параметров, характеризующих качество соединений, в связи с чем для контроля качества соединений используют косвенные признаки. В известных методах показатели качества оцениваются после сборки соединения, когда закончилось формирование его упруго - диссипативных характеристик. Контроль соединений после окончания запрессовки не позволяет определить распределение погрешностей по контактирующим поверхностям, локализовать дефекты и получить достоверную информацию о показателях динамического качества соединения. В данной статье рассмотрен метод диагностики, при котором оценка показателей динамического качества проводится непосредственно в процессе формирования соединения, причем возбуждаемые в соединении УЗ колебания используются и в диагностических целях в виде тестового резонансного воздействия. Упруго - инерционные параметры механического соединения определяют собственную частоту колебаний, а диссипативные отобража-

динамические >- характеристики АФЧХ

ются в диагностические параметры, связанные с фазовыми характеристиками механической колебательной системы.

При построении диагностических моделей механических соединений при ультразвуковой сборке можно выделить три группы параметров: конструктивные параметры соединения, к которым относятся геометрические

размеры, микрогеометрия контактирующих поверхностей, усилия запрессовки и т.д.; параметры механической колебательной системы (МКС), описывающей анализируемое соединение (это упругие, диссипативные и инерционные коэффициенты дифференциальных уравнений); пространство параметров диагностических сигналов, в качестве которых рассматриваются амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики диагностируемого объекта [3].

В процессе запрессовки оцениваются параметры диагностического сигнала, и с помощью моделей отображаются в упруго-диссипативные и конструктивные параметры соединения. Сравнение полученных значений параметров с эталонными позволяет оценить качество соединения.

Связь упруго-диссипативных характеристик с диагностическими параметрами осуществляется на основе решения дифференциального уравнения, описывающего МКС в режиме вынужденных колебаний:

[М] {X} + [К] {X} + [С] {X} = ^(0 ът(соГ),

где [М ],[К ],[С] - матрицы инерции, демпфирования и жесткости;

{X} - вектор обобщенных координат ; р(О - вектор амплитуд вынуждающих сил; Ш - частота вынужденных

колебаний.

В колебательной системе действуют силы инерции, демпфирования (сопротивления) и жесткости, которые уравновешиваются возмущающей силой. При различных динамических режимах работы меняется величина и направление действия результирующей первых трех сил. В зависимости от соотношения частоты возбуждения и собственной частоты МКС можно выделить три характерных режима, описываемых той или иной разновидностью основной модели, что позволяет дифференцированно определять инерционные, упругие и диссипативные характеристики. Кроме того, существенно облегчает задачу диагностики стационарность инерционных характеристик соединений в процессе запрессовки.

Разработанная вибродиагностическая модель УЗ сборки как процесса незатухающих колебаний осциллятора

с медленно изменяющимися по глубине запрессовки параметрами на частоте, близкой к частоте собственных

колебаний, основывается на отображении факторов, характеризующих геометрические и физико-механические

особенности поверхностного слоя деталей в параметры контактного взаимодействия, определяющие в конечном счете качество сформированного соединения и проявляющиеся в динамических характеристиках механической колебательной системы.

В процессе диагностики оцениваются параметры диагностического сигнала, и с помощью моделей отображаются в упруго-диссипативные и конструктивные параметры соединения. Сравнение полученных значений с эталонными позволяет оценить качество соединения.

Сложность исследования процессов сборки и оценки качества формируемых соединений обуславливается с одной стороны, множеством воздействующих факторов, большая часть которых носит вероятностный характер, а с другой стороны, отсутствием надежных методов и средств для непосредственной оценки механизмов контактного взаимодействия деталей в процессе сборки. Одним из перспективных методов решения этой проблемы, наряду с использованием эффективных технологий ультразвуковой сборки, является применение вычислительной техники и компьютерных технологий.

Предлагаемая концепция построения виртуального измерительного комплекса позволяет создать на базе персонального компьютера систему сбора и обработки измерительной информации о различных параметрах и физических процессах, происходящих в процессе ультразвуковой сборки, тем самым персональный компьютер превращается в мощную измерительную систему [4].

Для построения автоматизированной системы сбора и обработки данных кроме персонального компьютера необходимы датчики физических величин, интерфейсное устройство в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и программное обеспечение, позволяющее обрабатывать получаемую информацию, сохранять ее в требуемом виде и соответствующим образом интерпретировать.

В Самарском государственном техническом университете на кафедре автоматизации технологических процессов в последние годы активно разрабатываются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) в области автоматизации сборочных процессов с использованием ультразвуковых технологий, которые позволяют в короткие сроки проводить научно-исследовательские работы. Общая схема разработанной АСНИ процесса ультразвуковой сборки с использованием датчиков, АЦП и персонального компьютера представлена на рис.

2.

Рис. 2. Схема АСНИ прессовых соединений.

Здесь 1-магнитостриктор с концентратором, 2-датчик перемещения (резистивного типа), 3-датчик усилия

(динамометр с резистивным датчиком), 4-вибродатчик типа КВ-10 (КБ-35), 5-прессовое соединение, 6-пресс,

7-компьютер, УЗГ - ультразвуковой генератор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь

В разработанной АСНИ для регистрации усилия запрессовки и линейного перемещения используются резистивные датчики, отличающиеся простотой сопряжения с АЦП и компьютером. В качестве вибродатчиков, контролирующих резонансный режим колебаний, используются датчики типа КВ-10 или КБ-35 с пьезоэлектрической пластиной, работающей на изгиб.

С помощью этой АСНИ в СамГТУ и ОАО «Волгабурмаш» проводятся исследования по ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков буровых долот с одновременной диагностикой показателей качества формируемо-

го соединения. Одной из актуальных задач повышения эффективности и долговечности буровых долот является обеспечение надежного крепления породоразрушающих элементов, в качестве которых применяют твердосплавные зубки, запрессовываемые в отверстия на корпусе шарошки. Отклонения величин натягов от номинальных значений приводят к преждевременному разрушению буровых долот и существенному снижению эффективности бурения. Существует прямая взаимосвязь между качеством запрессовки и величиной механической добротности колебательной механической системы. Эта взаимосвязь достаточно хорошо аналитически описана в теории механических колебаний, что позволяет реализовать предлагаемый способ запрессовки с высокой эффективностью.

Исходя из эксплуатационных параметров соединения, определяют численные значения требуемых динамических характеристик и характер их изменения по координате движения деталей в процессе запрессовки.

В процессе запрессовки к деталям прикладывают возмущающие силы и измеряют вибрации колебательной механической системы. Путем изменения частоты возмущающих сил добиваются резонанса и замеряют амплитуду вибрационного сигнала, по которой определяют добротность колебательной механической системы.

На рисунке 3 представлена виртуальная система оптимального управления процессом ультразвуковой сборки, в которой используется диагностическая информация о параметрах формируемого соединения.

Рис. 3. Виртуальная система оптимального управления процессом УЗ запрессовки.

Др - датчик усилия; Дь - датчик перемещения (глубины запрессовки); Дв - датчик вибраций УЗ инструмента (концентратора); ДаКс - пьезоэлектрический акселерометр

Эффективное взаимодействие компонентов сборочного процесса (силового прессового оборудования, УЗ колебательной системы, соединяемых деталей, вибродиагностической системы) осуществляется устройством управления на основе получения в реальном времени оперативной информации, как о ходе технологического процесса, так и о динамических характеристиках формируемого соединения.

Проведенные экспериментальные исследования позволили получить диаграммы процесса запрессовки твердосплавных зубков в реальном масштабе времени. На рисунке 4а представлена диаграмма процесса запрессовки с ультразвуком, на рисунке 4Ь без применения ультразвука.

Рис. 4. а) Диаграмма процесса запрессовки с ультразвуком. 1- график изменения усилия запрессовки, 2-график линейного перемещения. Ь) Диаграмма процесса запрессовки без ультразвука, 1- график изменения усилия запрессовки, 2- график линейного перемещения

Полученные диаграммы совместно с амплитудно-частотными характеристиками формируемого соединения являются основой для оценки эффективности технологического процесса запрессовки и качества сформированного соединения.

Таким образом, применение автоматизированных систем научных исследований процесса ультразвуковой сборки дает возможность существенно повысить эффективность проводимых исследований, проводить научноисследовательские работы в короткие сроки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нерубай М.С., Калашников В.В., Штриков Б.Л., Яресько С.И. Физико-технологические методы обработки и сборки. - М: Машиностроение-1, 2005.-396 с.

2. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г. Контроль динамических показателей качества прессовых соединений при

сборке с наложением ультразвуковых колебаний//Сборка в машиностроении, приборостроении, 2002, №4, С.

32-34

3. Шуваев В.Г. Формирование прессовых соединений гарантированного качества при ультразвуковой сбор-ке//Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2004 г. №10. С.28-31.

4. Гель П. Как превратить компьютер в измерительный комплекс: Пер. с франц. - 2-е изд., испр. - М.:

ДМК, 1999. -144 с.