Модификация статистических характеристик микрогеометрии поверхностей деталей при ультразвуковой сборке

Батищева. О.М., Лаптев В.А., Шуваев В.Г. МОДИФИКАЦИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКЕ

Рассмотрено комбинированное воздействие ультразвуковых и статических нагрузок в процессе сборки как эффективное средство направленного регулирования основных показателей качества формируемых соединений.

Среди механических соединений большую группу составляют цилиндрические соединения с натягом, формируемые методами запрессовки и служащие для передачи осевых нагрузок и крутящего момента от одной сопрягаемой детали к другой. С помощью посадок с натягом формируют неподвижные неразъемные соединения без дополнительного закрепления соединяемых деталей. Взаимному перемещению деталей препятствуют силы сцепления по контактирующим поверхностям вследствие их деформирования, создаваемого натягом, причем прочность посадок с натягом напрямую зависит от коэффициента трения в соединении, который в значительной мере определяется технологией обработки и сборки сопрягаемых поверхностей.

Безотказность и долговечность выполнения требуемых функций соединением определяется рядом эксплуатационных свойств, к которым относятся поверхностная контактная статическая и динамическая прочность, контактная жесткость, прочность посадок и другие. Основное влияние на качество соединения оказывают отклонения размеров и формы деталей, а также микрогеометрия поверхностных слоев.

Одним из перспективных направлений сборки является применение дополнительных ультразвуковых колебаний наряду с основным силовым воздействием, что позволяет значительно снизить усилие запрессовки, обеспечить компенсацию несоосностей соединяемых деталей, а также расширить возможности направленного воздействия на формируемые характеристики соединения путем введения дополнительной колебательной энергии в зону контактного взаимодействия деталей. Основными особенностями, определяющими технологическую перспективность ультразвуковой сборки, являются высокая концентрация энергии, вводимой в зону технологического воздействия, малая инерционность процессов, являющаяся следствием прямого преобразования электрической энергии в энергию технологического воздействия, а также возможность направленной модификации свойств поверхностного слоя, что позволяет на качественно новом уровне решать задачи формирования оптимальных с точки зрения условий эксплуатации свойств поверхностей деталей [1].

В процессе формирования прессовых соединений под действием ультразвука снижение напряженности процесса сборки происходит благодаря изменению условий контактного взаимодействия поверхностей и снижению сопротивления пластическому деформированию, определяемых амплитудой колебаний и схемой их введения. Изменение пластических свойств материалов и характера контактного взаимодействия поверхностей при сборке с применением ультразвука создают условия для возникновения пластических деформаций в соединениях при контактных давлениях, значительно меньших, чем при сборке в обычных условиях, что является причиной увеличения фактической площади контакта реальных соединений. Изменение условий взаимодействия сопрягаемых поверхностей при введении в зону контактирования ультразвуковых резонансных колебаний и обусловленное этим уменьшение коэффициента трения и сопротивления пластическому деформированию приводят к существенному снижению сборочных усилий и увеличению скорости процесса сборки.

В число перспективных направлений повышения эффективности и обеспечения качества сборки входят технологии, основанные на комбинированном воздействии нескольких видов энергии, в том числе энергии ультразвуковых (УЗ) колебаний. Использование УЗ колебаний малой амплитуды позволяет интенсифицировать сборочный процесс, что обусловлено рядом специфических особенностей воздействия УЗ, к числу которых относятся высокая концентрация колебательной энергии, вводимой в зону контактирования деталей, обеспечивающая локальность воздействия при существенно меньших энергозатратах, значительное снижение сил сопротивления при сборке, самоцентрирование деталей, направленная модификация свойств поверхностных слоев контактирующих деталей, дающая возможность на качественно новом уровне решать задачи повышения эксплуатационного ресурса изделий, а также возможность механизации и автоматизации технологического процесса сборки [1, 2].

В зависимости от назначения и условий эксплуатации к неподвижным соединениям с натягом предъявляются различные требования: герметичности, жесткости стыка, демпфирующей способности, коррозионной стойкости и др. Важнейшей характеристикой, позволяющей обеспечить эксплуатационные требования, является фактическая площадь контакта, максимальное значение которой зависит от диаметра и длины соединения, а также от параметров неровностей (микрогеометрии) сопрягаемых поверхностей.

В процессе сборки осуществляется силовое замыкание деталей, которое сопровождается деформированием контактирующих поверхностей и изменением их микрогеометрии. При соединении двух реальных поверхностей в общем случае можно считать, что соприкосновение происходит теми выступами шероховатости, для которых сумма высот противолежащих сопряженных поверхностей наибольшая, причем эти выступы дают наибольшее отклонение в сторону увеличения суммарного размера сопряженных деталей. Вследствие дискретности касания происходит внедрение контактирующих выступов, которое при тангенциальном перемещении в процессе сборки приводит к силовому воздействию на исходный микропрофиль, что сопровождается процессами микрорезания и смятия выступов. Это, в свою очередь, вызывает упруго-пластическое передеформирование поверхностей, характер которого определяется величиной натяга и сборочным усилием. В результате процессов микрорезания и деформации (обмятия) осуществляется перераспределение материала микронеровностей: часть выступов сминается, часть срезается, в то же время происходит подъём впадин как за счет пластического деформирования и вытеснения материала с вершин микронеровностей к основанию, так и за счет заполнения впадин продуктами износа [4].

Контактное взаимодействие поверхностей деталей при сборке сосредотачивается в некотором объеме металла, который обладает специфическими свойствами и может рассматриваться как своеобразное «третье тело». На свойства «третьего тела» оказывают влияние состояние поверхностных слоев, величина натяга, усилие и скорость запрессовки, параметры дополнительных ультразвуковых колебаний. В процессе запрессовки происходит взаимное перемещение деталей, сопровождающееся разрушением и одновременным формированием «третьего тела».

Определяющими параметрами при УЗ сборке являются статическое усилие, скорость и время сборки, а также амплитуда, частота, фаза и схема введения дополнительной колебательной энергии в зону контактирования деталей. Изменяя характер введения УЗ колебаний, можно в некоторых пределах управлять процессами силового воздействия на исходный микрорельеф в процессе сборки. Формируемые при ультразвуковой сборке микрорельефы поверхностей зависят от схемы введения колебаний и характеризуются рядом особенностей по сравнению с традиционной сборкой, что дает возможность регулировать параметры шероховатости поверхностей путем изменения направления приложения и амплитуды УЗ

колебаний. Причем наложение УЗ колебаний осуществляется на основное движение деталей при сборке -тангенциальное перемещение.

На рисунке 1 представлены некоторые варианты схем дополнительного введения УЗ колебаний в фор-

мируемое соединение, на вал, схемы б) и вал [1, 2 ] .

причем схема а) соответствует тангенциальному (продольному) з) соответственно нормальному (поперечному) и крутильному УЗ

УЗ воздействию воздействию на

Рисунок 1. Основные варианты схем воздействия УЗ колебаний на вал

На рисунке 2 показаны аналогичные варианты схем воздействия УЗ колебаний на втулку.

в) крутильное УЗ воздействие на втулку

Рисунок 2. Основные варианты схем воздействия УЗ колебаний на втулку

Основной механизм дополнительного тангенциального (продольного) УЗ воздействия, совпадающего с основным сборочным перемещением, заключается в микрорезании вершин выступов контактирующих поверхностей, тогда как при нормальных (поперечных) колебаниях происходит упруго-пластическое деформирование (смятие) выступов. Разнонаправленное силовое воздействие при УЗ сборке приводит к ускоренной приработке (тренировке) поверхностей, причем наибольший эффект достигается, когда характер нагружения в процессе сборки идентичен характеру нагружения изделия в эксплуатации. Изменяя схему введения УЗ колебаний в зону сборки можно направленно изменять параметры контактного взаимодействия деталей и формировать соединения с заданными функциональными параметрами [5].

Вопросы возбуждения продольных, крутильных, поперечных и комбинированных УЗ колебаний решаются на основе использования магнитострикционных и пьезокерамических преобразователей и соответствующих концентраторов, служащих для формирования требуемых типов колебаний и акустического согласования колебательной системы с нагрузкой.

Топографические характеристики случайно шероховатых поверхностей важны при их изучении в процессе контактного взаимодействия деталей при сборке. Когда шероховатые поверхности деталей в процессе сборки приводятся в контакт, они касаются по высоко расположенным пятнам этих поверхностей, которые деформируются, приводя к вступлению в контакт большего числа пятен. Для количественной характеристики поведения поверхностей требуется знание некоторых статистических оценок - таких как: стандартное отклоненияе высот неровностей, средняя кривизна их вершин, плотность неровностей (их количество на единицу площади поверхности). Эти величины должны быть получены из информации, содержащейся в следе профилометра.

Профиль поверхности можно рассматривать как реализацию некоторой случайной функции, поскольку он образуется в результате суммарного действия как периодических детерминированных факторов, так и многочисленных случайных возмущений (рисунок 3).

Рисунок 3. Микрогеометрические характеристики поверхности детали

Получение информации о форме профиля поверхности - как распределении отклонений от средней линии - основано на построении кривой опорной поверхности. Опорная поверхность характеризует расположение материала шероховатого слоя по высоте, причем каждый вид шероховатой поверхности имеет свой характерный вид опорной кривой. Кривая опорной поверхности является исходной зависимостью при расчете жесткости стыков, площадей контакта, величины износа и других, связанных с ними величин, характеризующих качество сборки.

Для построения кривой опорной поверхности профилограмма разбивается на ряд горизонтальных уровней, параллельных основанию (рис. 3) . Затем производится суммирование участков, ограничивающих ширину выступов на рассматриваемом уровне, которому соответствует некоторое сближение, равное расстоянию от вершины наиболее высокого выступа до данного уровня. Откладывая по оси абсцисс сум-

марную ширину выступов, а по оси ординат - сближение, получают кривую опорной поверхности Е(х), графически выражающую зависимость площади выступов от величины сближения.

Дополнительные возможности по моделированию профиля поверхности дает основанный на задании функции и плотности распределения неровностей.

При эквидистантной записи полученного профиля формируется набор данных, геомерию.

Представление этой выборочной совокупности как ряда отклонений профиля номинального размера и построение ское описание поверхности.

При разной обработке (точение, отклонений будут различными [5].

Так, например, при хонинговании к экспоненциальному (рисунок 4).

При шлифовании распределение высот профиля близко к гауссовскому закону (рисунок 5).

статистический подход,

характеризующих микро-

(выступы и впадины) от гистограммы распределения отклонений визуализирует статистиче-

хонингование, обкатка, шлифование и т.п.) законы распределения

вид закона распределения отклонений профиля достаточно близок

Высота неровностей профиля б>

Рисунок 4. Вид соприкасающихся поверхностей

С помощью имитационного моделирования, выполняемого в табличном процессоре Excel либо в статистическом комплексе (например, STATISTICA) можно определить режимы формирования соединений по одному из критериев качества. Таким критерием может быть прочность соединения, герметичность, коррозионная стойкость, динамические характеристики и т.п.

Высота неровностей профиля

б)

Рисунок 5. Вид соприкасающихся поверхностей, обработанных шлифованием

Таким образом, комбинированное воздействие ультразвуковых и статических нагрузок на соединяемые детали является эффективным средством направленного регулирования основных показателей качества поверхностного слоя, деформационного упрочнения и снятия остаточных напряжений, причем отмеченные эффекты характерны как при тангенциальной, так и при нормальной ориентации колебательных смещений относительно поверхностей контактирования. Это поможет создавать условно-неподвижные соединения достаточно надежными и прочными в эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нерубай, М.С. Физико-технологические методы обработки и сборки [Текст] / М.С. Нерубай, В.В. Калашников, Б.Л. Штриков, С.И. Яресько. - М: Машиностроение-1, 2005. - 396 с. - 13БЫ 5-94275-1722.

2. Джонсон, К. Механика контактного взаимодействия: Пер. с англ. [Текст] - М.: Мир, 1989. -

510 с. - 13БЫ 5-03-000994-9.

3. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин [Текст] / А.Г. Суслов - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с. - 13БЫ 5-217-02 97 6-5.

4. Шуваев, В.Г. Применение ультразвука для обеспечения качества сборки [Текст] / В.Г. Шуваев // Сборка в машиностроении, приборостроении / Ежемесячный науч.-тех. и производств. журнал. М.: Машиностроение. - 2009, № 6, С. 20-23.

5. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием [Текст] / Смелянский В.М. - М.: Машиностроение, 2002. - 300 с.