Технологическое обеспечение качества подвижных соединений при ультразвуковой сборке

Штриков Б.Л., Родимов Г.А. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКЕ

Надежность машин в значительной степени определяется безотказностью работы их подвижных соединений. Вместе с тем, при сборке прецизионных узлов оценка точности соединения производится, как правило, путем измерения геометрических параметров отдельных деталей без учета несущей способности контактирующих поверхностей и их деформации из-за наличия шероховатости и состояния поверхностного слоя. Происходящая под действием рабочих нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации, приработка поверхностей контактирующих деталей нарушает достигнутые при сборке размерные связи, приводя к потере точности соединения.

Использование ультразвуковых колебаний в процессе сборки является одним из перспективных направлений повышения точности подвижных соединений за счет образования равновесной шероховатости, т.е. совмещением процесса сборки с процессом приработки. Изменение условий контактного взаимодействия поверхностей под воздействием ультразвука и протекающие при этом физико-химические процессы оказывают существенное влияние на механизм изнашивания и время образования равновесной шероховатости поверхностей [1].

С целью определения оптимальных характеристик процесса сборки подвижных соединений были проведены исследования процессов изнашивания различных металлов в ультразвуковом поле. Исследования проводились на специальной установке, позволявшей моделировать ультразвуковое трение и изнашивание в широком диапазоне скоростей относительного перемещения, удельных давлений и ультразвуковых параметров. Основными элементами установки являлись магнитострикционный преобразователь, устанавливавшийся в резцедержатель токарного станка. Одна из исследуемых пар закреплялась в центрах станка, а вторая с помощью резьбового соединения - в концентраторе ультразвукового преобразователя. Измерение нормальной и тангенциальной составляющих сил трения производилось с помощью динамометрического центра, устанавливавшегося в задней бабке станка. В горизонтальной и вертикальной плоскостях на центр наклеивались тензорезисторы, включавшиеся в мостовую схему. Сигнал с динамометрического центра поступал на осциллограф.

Для исследования трения в зону контакта вводились как нормальные, так и тангенциальные ультразвуковые колебания. При моделировании процесса изнашивания использовались следующие режимы: удельное давление в контакте поверхностей р=20...100 МПа, скорость относительного перемещения поверхностей у=0,01.1 м/с, амплитуда ультразвуковых колебаний Г=5...20 мкм.

Установлено аналогичное обычному фрикционному взаимодействию влияние удельного давления в контакте и скорости относительного перемещения поверхностей на линейную интенсивность изнашивания. С увеличением этих характеристик интенсивность изнашивания в исследуемом диапазоне растет. Введение в зону контакта тангенциальных ультразвуковых колебаний увеличивает интенсивность изнашивания в большей степени по сравнению с нормальными колебаниями. Под действием колебаний независимо от величины исходной шероховатости и твердости наблюдается интенсивное деформирование микровыступов, изменение их формы и размеров, что интенсифицирует процесс приработки поверхностей. При соприкосновении поверхностей взаимодействие их микрорельефов происходит по вершинам наиболее высоких неровностей, поэтому в начале нагружения наибольшее влияние на время приработки оказывают шероховатость, твердость материалов и время контакта.

Анализ результатов исследований и работ [2, 3] позволяет сделать вывод, что механизм приработки

поверхностей под воздействием ультразвуковых колебаний связан с интенсификацией развития сдвиговых деформаций, генерированием дефектов структуры, разрушением металлических связей, образованием новых поверхностей и увеличением их свободной энергии. Ускоряя сдвиговые деформации, ультразвуковые колебания способствуют более активному формированию равновесной шероховатости контактных поверхностей в процессе сборки, что позволяет сократить время приработки поверхностей деталей из стали с часов до нескольких секунд [4]. Причем, как показали исследования, детали, прошедшие приработку под воздействием ультразвуковых колебаний, имеют одинаковый с обычно приработанными износ при дальнейшей эксплуатации [2].

В результате исследования было установлено влияние времени приработки на параметр шероховатости детали. Так при введении в зону контакта ультразвуковых колебаний время приработки снижается с 80 секунд при обычном взаимодействии, до 6 секунд при наложении нормальных колебаний и до 4 секунд при тангенциальных колебаниях. Меньшие значения времени приработки в последнем случае связаны с более интенсивными процессами усталостного разрушения, сопровождающими тангенциальные ультразвуковые колебания.

При контакте поверхностей с одинаковой исходной твердостью наложение ультразвуковых колебаний на индентор снижает его твердость, а его шероховатость изменяется, приближаясь к шероховатости контртела до тех пор, пока не наступит равновесное состояние, характерное для данных условий трения.

Если в качестве индентора используется более твердый материал, то путем подбора соответствующих параметров ультразвуковых колебаний можно достичь значительного снижения его твердости и интенсифицировать процесс приработки. Наиболее эффективно приложение ультразвуковых колебаний на деталь с более высокой шероховатостью контактирующей поверхности. Так, при взаимодействии в ультразвуковом поле (^=6 мкм и 1=20 кГц) стали 45 и стали 40Х процесс приработки происходит в течении 5.6 секунд. Аналогичные результаты получены и при фрикционном взаимодействии закаленных сталей, только время образования равновесной шероховатости увеличивается в 2-3 раза.

Проведенными исследованиями установлено, что введение ультразвуковых колебаний в зону фрикционного взаимодействия поверхностей увеличивает интенсивность изнашивания по сравнению с обычным контактированием. При этом большая интенсивность изнашивания наблюдается при введении тангенциальных колебаний. Интенсификация процесса изнашивания способствует сокращению времени приработки поверхностей с образованием равновесной шероховатости, что создает хорошие предпосылки для управления этим процессом путем рационального выбора параметров ультразвуковых колебаний и их направления.

На основе анализа результатов исследований сопротивления пластическому деформированию и интенсивности изнашивания под воздействием ультразвуковых колебаний разработана технология, в которой совмещаются процессы сборки и приработки поверхностей. Положительный эффект достигается при введении вала во втулку с наложением на него продольных ультразвуковых колебаний и вращении одной из деталей.

Исследования показали, что достижение равновесной шероховатости при взаимодействии поверхностей под воздействием ультразвуковых колебаний при сборке происходит в зависимости от физикомеханических характеристик материалов в течение 5.30 секунд. Так при сопряжении вала и втулки изготовленных из стали 45 равновесная шероховатость образуется через 6.8 секунд, как на вале, так и на втулке. Увеличение времени контактирования поверхностей под воздействием ультразвуковых колебаний до 50.60 секунд резко ухудшает качество поверхности, что связано с образованием мостиков схватыва-

ния. Эффективность процесса возрастает при сообщении колебаний детали с большим параметром шероховатости.

Установлено, что при приработке поверхностей деталей, твердости которых существенно различаются, например, из закаленной и незакаленной сталей, ультразвуковые колебания можно сообщать только первой из них. В этом случае поверхность более мягкой детали приобретает шероховатость, близкую к шероховатости более твердой детали.

Таким образом, технология, обеспечивающая приработку поверхностей в процессе сборки, улучшает качество подвижных соединений путем повышения их точности благодаря образованию равновесной шероховатости непосредственно в процессе сборки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Комбалов В.С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. - М: Наука, 1974. - 112 с.

2. Филяев А.Т. Изнашивание в ультразвуковом поле. - Минск: Наука и техника. 1978. - 288 с.

3. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Прокатка и волочение с ультразвуком. - Минск: Наука и техника. 1970. - 288 с.

4. А.с. № 1682111 СССР. Способ сборки подвижного соединения типа вал-втулка / В. А. Николаев, М.А. Куликов, Б.Л. Штриков.