Повышение эффективности инструмента для ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2018, том 2 УДК 621.883

Крылова И.А., Будников Ю.М., Шуваев В.Г.

ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет, Самара, Россия

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКИ И РАЗБОРКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Рассматриваются вопросы обеспечения надежности и качества сборки и разборки резьбовых соединений путем повышения эффективности ультразвукового инструмента. Приводится конструкция разработанного устройства, обеспечивающего увеличения степени концентрации ультразвуковой энергии и формирование сложного вибрационного воздействия одновременно продольных и крутильных колебаний

Ключевые слова:

РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, СБОРКА, РАЗБОРКА, УЛЬТРАЗВУК, ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Резьбовые соединения являются одними из наиболее распространенных видов разборных соединений, которые применяются в машиностроении, причем значительная часть резьбовых соединений, используемых в таких отраслях как авиастроение, двигателестроение, автомобилестроение в значительной степени определяют надежность и безопасность всей конструкции.

В процессе сборки резьбовых соединений полная работа момента, прикладываемого к болту, распределяется следующим образом: на работу по преодолению сил трения в резьбе (30 - 40 %), на работу преодоления сил трения в поверхностях контактирования головки болта и гайки с собираемыми деталями (45 - 55 %), и на работу создания силы предварительной затяжки (10 - 15 %), следовательно, чем меньше коэффициент трения, тем меньшая часть работы расходуется на преодоления сил трения и тем большая ее часть расходуется на создание силы предварительной затяжки [1, 2].

Одним из направлений повышения эффективности процессов сборки является применение ультразвуковых колебаний, принципиальной особенностью которых является то, что на обычную кинематическую схему процесса накладываются дополнительные колебания соединяемых деталей, причем механизм воздействия ультразвука на силы трения заключается в изменении кинематических условий контактирования поверхностей, а также в изменении характера напряженного состояния металла в зоне трения. Установлено, что в зависимости от схемы подведения колебаний при оптимальных амплитудах

и от величины удельных нагрузок коэффициент трения снижается в 2...4 раза [3, 4].

В процессе ультразвуковой сборки в резьбовом соединении создаются относительные микроперемещения сопряженных резьбовых поверхностей с частотой около 2 0 000 Гц и амплитудой до 2 0 мкм, что способствует интенсивной самоприработке контактирующих поверхностей, как в контакте витков резьбы и на опорной поверхности болта и гайки, так и на поверхностях стыков соединяемых деталей. Таким образом, в процессе ультразвуковой сборки резьбовых соединений этап приработки переносится из эксплуатации непосредственно на сборку, что существенно повышает надежность сформированных резьбовых соединений [5, 6].

Одним из недостатков известных устройства для ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений является недостаточно высокая надежность и эффективность работы, кроме того в этих устройствах пьезокерамический преобразователь находится в зоне непосредственных силовых воздействий, возникающих при завинчивании резьбового соединения, что приводит к изменению амплитудных и частотных характеристик колебательной системы, уходу от резонансного режима и механическому разрушению пьезокерамического преобразователя.

Авторами разработано устройство для ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений, эффективность которого обеспечивается возбуждением как продольных, так и крутильных колебаний. На рисунке 1 представлено устройство для ультразвуковой сборки и разборки резьбовые: соединений.

Рисунок 1 - Ультразвуковое устройство для сборки и разборки резьбовых соединений: а - представлено в разрезе; б - вид сбоку

Устройство для ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений содержит корпус 1, внутри которого размещен пьезокерамический преобразователь в виде пакета кольцеобразных элементов 2, зажатый между противовесом 3 и стержнем 4 с помощью гайки 5, расположенной на резьбе цилиндрического хвостовика стержня 4. Рабочий торец стержня 4 поджат к внутреннему торцу корпуса 1 гайкой 6, навинченной на резьбу другого цилиндрического хвостовика стержня 4. С корпусом 1 жестко связана обойма 7, имеющая головку под ключ. Соединение обоймы 7 с корпусом 1 обеспечивается фиксаторами 8, цилиндрические части ко-

торых заходят в отверстия корпуса 1, расположенные в зоне минимальных амплитуд колебаний, а резьбовые части располагаются в резьбовых отверстиях обоймы 7 и стопорятся контргайками 9. Корпус 1 снаружи имеет цилиндрическую форму, а внутренняя его поверхность состоит из конического и цилиндрического участков. Нижняя часть корпуса 1 представляет собой цилиндрическую втулку 10, имеющую наклонные винтовые вырезы 11, и выполняющую роль торсиона. На рабочем конце торсиона закреплен наконечник 12 с помощью гайки 13, навернутой на резьбу корпуса 1. Во избежание вращения наконечника 12 относительно корпуса 1

б

а

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2018, том 2

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