Способ контролируемой сборки резьбовых соединений и устройство для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLED ASSEMBLY OF THREADED CONNECTIONS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при контролируемой сборке резьбовых соединений.
Известен способ сборки резьбовых соединений, включающий предварительную затяжку путем приложения крутящего момента к подвижному элементу резьбового соединения и воздействия на элементы резьбового соединения и собираемые детали ультразвуковыми колебаниями и окончательную затяжку с контролем качества соединения (А.с. №1505770, МПК В25В 21/00, 07.09.89. Бюл. №33).
Недостатком известного способа является низкая надежность соединений.
Наиболее близким по технической сути является способ контролируемой сборки резьбового соединения, включающий предварительную затяжку резьбового соединения путем приложения крутящего момента к подвижному элементу резьбового соединения и воздействия на элементы резьбового соединения и собираемые детали ультразвуковыми колебаниями, преобразование механических колебаний в электрический сигнал и определение качественной затяжки путем анализа колебаний (Патент РФ №2414339, МПК В23Р 19/06, 20.03.2011. Бюл. №8).
Недостатком известного способа является низкая точность контроля затяжки резьбовых соединений.
Известно также устройство, содержащее боек, наковальню, шпиндель, ключ, гайку, болт, устройство сравнения соединенный с генератором тактовых импульсов и компаратором, индикатор, датчик вибрации, закрепленный на одной из собираемых деталей, который соединен с фильтром нижних частот (А.с. СССР №1793366, МПК G01N 29/04, 1993, Бюл. №5).
Недостатком устройства является низкая точность.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности контроля затяжки резьбовых соединений.
Технический результат достигается тем, что в способе контролируемой сборки резьбовых соединений, включающем предварительную затяжку резьбового соединения путем приложения крутящего момента к подвижному элементу резьбового соединения и воздействия на элементы резьбового соединения и собираемые детали ультразвуковыми колебаниями, преобразование механических колебаний в электрический сигнал и определение качественной затяжки путем анализа колебаний, дополнительно наносят удары и анализируют импульсную характеристику затухающих колебаний и заканчивают затяжку при появлении различий в значениях полупериодов анализируемых колебаний.
Также технический результат достигается тем, что в устройство для контролируемой сборки деталей посредством затяжки резьбового соединения, содержащее боек, наковальню, шпиндель, ключ, гайку, болт, устройство сравнения соединенный с генератором тактовых импульсов и компаратором, индикатор, датчик вибрации, закрепленный на одной из собираемых деталей, который соединен с фильтром нижних частот, дополнительно введены шпилька, концентратор, частотопонижающий элемент и пьезокерамический преобразователь, который зажат шпилькой между концентратором и частотопонижающим элементом, кроме того последовательно соединенные фильтр нижних частот, компаратор, устройство сравнения и индикатор, а ко второму входу устройства сравнения подключен генератор тактовых импульсов.
Одним из наиболее совершенных из применяемых на практике методов тарированной затяжки является метод, по которому затяжку производят до достижения предела текучести материала болта, что позволяет добиваться максимального эффекта затяжки и наиболее полно использовать прочностные свойства резьбового соединения (Гусаков Б.В. Отечественные и зарубежные методы и средства тарированной затяжки резьбовых соединений// Сборка в машиностроении, приборостроении. №9, 2003. С. 12-24). Контроль степени затяжки, основанный на достижении силы затяжки в точке предела упругих деформаций материала резьбовых деталей, практически не зависит от трения, позволяет использовать крепежные детали меньшего размера и более низкого класса точности и обеспечивает минимальный разброс силы затяжки.
Применение ультразвуковых колебаний позволяет управлять состоянием формируемых контактных связей непосредственно в сборочном процессе, причем в процессе формирования контактных связей под действием дополнительных ультразвуковых колебаний происходит компенсация возмущающих факторов, связанных с разбросом геометрических параметров резьбовых соединений, механических свойств материала, коэффициентов трения, микрогеометрии соединяемых деталей (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.).
Ультразвуковые механические колебания используются одновременно для осуществления следующих полезных функций: во-первых, происходит снижение трения, устраняются перекосы и деформации в процессе свинчивания, повышается пластичность материала; во-вторых, механические колебания являются источником диагностической информации о параметрах динамического качества колебательной механической системы. Дополнительное введение механических колебаний в формируемое соединение дает возможность совместить операции свинчивания и контроля качества, получать оперативную информацию о динамических параметрах качества соединения непосредственно в процессе сборки, а также предотвращать самоотвинчивание резьбовых деталей в процессе эксплуатации.
При достижении в процессе ультразвуковой сборки резьбового соединения предела текучести начинает проявляться нелинейность упругой характеристики механической колебательной системы (нелинейность типа «насыщение»), вызванная наличием пластичности, что приводит к искажению амплитудно-частотной характеристики и появлению скелетной кривой, выражающей связь между частотой и амплитудой колебаний системы (Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 272 с., С. 154-158). Если прекратить ультразвуковое воздействие, то механическая система вернется в исходное состояние с линейной характеристикой пластичности и нормальной амплитудно-частотной характеристикой.
В случае, когда прикладываемая сила (момент) велики, система становится нелинейной, жесткость системы (ее коэффициент упругости) больше не являются постоянной, частота и соответственно, период, начинают зависеть от амплитуды колебаний. То есть поведение нелинейной системы начинает зависеть от амплитуды колебаний. В случае снижения коэффициента жесткости при достижении предела текучести система имеет мягкую характеристику, и ее скелетная кривая оказывается искривленной влево. 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 кривой при мягкой характеристике (Основы измерений. Датчики и электронные приборы: Учебное пособие / К. Классен. 4-е изд. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2012. - 352 с., С. 103-107).
Если амплитуда синусоидального воздействия будет изменяться, то пик резонансной кривой будет перемещаться по скелетной кривой. Фиксируя изменение знака приращения резонансной частоты, и при смене на отрицательный отмечают этот момент и выдают сигнал на прекращение затяжки резьбового соединения (Шуваев В.Г. Методология адаптивной ультразвуковой сборки резьбовых соединений гарантированного качества // Международный симпозиум «Надежность и качество», 2018. Пенза, 21-31 мая, 2018. С. 201-204). Улучшить качество идентификации можно увеличением до максимально возможной величины спектра входного воздействия, то есть наилучший вариант представляет собой ударное входное воздействие. Предлагается наряду с ультразвуковыми колебаниями прикладывать в процессе сборки ударные воздействия и проводить анализ затухающих колебаний, которые будут представлять импульсную переходную характеристику системы (весовую функцию), то есть вместо частотного анализа колебаний проводить временной анализ, что позволит повысить разрешающую способность, так как временные характеристики можно точнее измерить.
Нелинейность будет проявляться в изменении периода затухающих колебаний, что и положено в основу предлагаемого метода. При мягкой скелетной кривой будет уменьшение времени между импульсами и, зафиксировав этот момент можно прекратить затяжку соединения, в случае линейной системы интервалы времени будут симметричными. Оценка неравномерности периода затухающих колебаний производится путем сравнения промежутков времени между пересечениями кривой нулевого уровня.
На чертеже изображена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа.
Устройство содержит боек 1, наковальню 2, шпиндель 3, ключ 4 и гайку 5. Изделие состоит из собираемых деталей 6 и 7, которые стягиваются болтом 8. Концентратор 9 усиливает механические колебания. Шпилькой 10 пьезокерамический преобразователь 11 зажат между концентратором 9 и частотопонижающим элементом 12 (демпфером). Датчик вибрации 13 закреплен на одной из собираемых деталей 7 и соединен с фильтром низких частот 14, сигнал с которого поступает в компаратор 15. С компаратора 15 сигнал подается в устройство сравнения 16, на второй вход которого поступают сигналы с генератора 17 тактовых импульсов. С устройства сравнения 16 сигналы поступают на индикатор 18.
Способ сборки резьбовых соединений реализуют следующим образом.
Производят предварительную затяжку резьбового соединения. При последовательных ударных взаимодействиях бойка 1 и наковальни 2 вращательные импульсы передаются через шпиндель 3 и ключ 4 на гайку 5, которая затягивается с необходимой силой. Под действием силы затяжки болт растягивается, и стягиваемые детали сжимаются. С помощью генератора электрических колебаний (на рисунке не показан) в пьезокерамическом преобразователе 11 возбуждают ультразвуковые механические колебания, которые затем усиливают концентратором 9. Пьезокерамический преобразователь 11 зажат шпилькой 10 между концентратором и частотопонижающим элементом 12 (демпфером). Пьезокерамический преобразователь набран из дискретных шайб осевой поляризации, которые механически соединены последовательно, а электрически включены параллельно.
В изделии, состоящем из собираемых деталей 6 и 7, в процессе свинчивания возбуждают и принимают колебания, добиваясь резонанса. Колебания, прошедшие через соединение (болт 8, гайка 5 и собираемые детали 6 и 7), воспринимаются датчиком вибрации 13, закрепленным на одной из собираемых деталей, и преобразуются в электрический сигнал, который поступает на вход фильтра низких частот 14. Одновременно с этим осуществляется приложение ударно-вращательных импульсов, под воздействием которых резьбовые соединения затягивают за несколько ударных циклов. Под воздействием удара формируется сигнал, из которого фильтр низких частот 14 выделяет импульсную переходную характеристику системы, отстраиваясь от высокочастотных составляющих вибрации. Далее сигнал подается в компаратор 15, где происходит его сравнение с нулевым уровнем, то есть выделяются уровни больше нуля, и уровни меньше нуля. Генератор тактовых импульсов 17 заполняет выделенные уровни высокочастотным сигналом, что и фиксируется в устройстве сравнения 16. Индикатор 18 отмечает результаты сравнения уровней сигналов больше нуля и сигналов меньше нуля и сигнализирует о качественной затяжке резьбового соединения по динамическому критерию в нелинейной области.
Предлагаемый способ контролируемой сборки резьбовых соединений позволяет обеспечить гарантированное качество каждого соединения без ужесточения технологии изготовления и сборки деталей соединения за счет использования средств контроля.
Разработанное устройство для контролируемой сборки деталей позволяет анализировать импульсную переходную характеристику и отмечать появление неравенства сигналов затухающих колебаний, что сигнализирует о переходе соединения в зону пластических деформаций.