Основные проблемы разработки и производства крепежнорезьбообразующих деталей прогрессивных конструкций

Научные исследования

УДК 62-238 ББК К 441. 2

С.Я. Березин

Основные проблемы разработки и производства крепежнорезьбообразующих деталей прогрессивных конструкций

Рассмотрены основные типы крепежнорезьбообразующих деталей, одновременно выполняющих операции резьбообразования и сборки, что повышает производительность и снижает общие трудозатраты. Представлены сведения об основных производителях данной продукции и их положение на рынке. Проанализированы возможности ее применения в промышленности и проблемы, тормозящие внедрение.

Ключевые слова: метизы, винты самонаре-зающие, крепежно-резьбообразующие детали, гладко-резьбовые соединения, резьбовые втулки, шпильки для гладких отверстий.

S.Ya. Berezin

Problems of Development and Production of Binder and Thread Formation Details of Progressive Constructions

The article considers the main types of binders and thread formation details which concurrently perform operations on thread formation and assembly, and so they increase the productivity and decrease general efforts. The information about main producers of the goods and their state on the market is represented. The possibilities of their use in industry and the problems hindering their adoption are analyzed by the author.

Key words: wire products, self-cutting screws, binders and thread formation details, even thread junctions, thread bush, pins for smooth surfaces.

Современное сборочное производство характеризуется внедрением и интенсивным использованием передовых технологий, позволяющих значительно сократить во времени процесс сборки, снизить затраты на энергию и материалы и в результате получить изделие с

высокими эксплуатационными характеристиками.

В современном производстве операции обработки резьбовых поверхностей и сборки резьбовых соединений обладают одним из самых высоких показателей трудоемкости. В них заняты десятки тысяч работающих и значительное число производственного оборудования, инструментария, оснастки, приборов и т.п.

В мировом производстве только легковых автомобилей используется 6 • 1010 резьбовых соединений, а на их сборке занято 4 • 105 рабочих. В общей доле механических соединений резьбовые составляют 60-70 % и требуют значительных материальных и интеллектуальных ресурсов. По данным института промышленного крепежа IFI (США) мировой рынок крепежных изделий в 2006 г. оценивался в 45,4 млрд. долл. К 2010 г. прогнозируется увеличение рынка до 55 млрд. долл. [1].

Производство современных машин предъявляет высокие требования к качеству крепежных деталей и резьбовых соединений, от которого зависит надежность техники и безопасность человека. К сожалению, в нашей стране данной проблеме уделяется еще очень мало внимания.

По данным «РосМетиза», в 2006 г. российское потребление крепежа составило около 200 тыс. т (400 млн. долл. по средней оптовой цене), а импорт - половину данного объема. Потребности же России в строительном крепеже на 75 % удовлетворяются за счет импорта из Юго-Восточной Азии и Украины. Отечественная крепежная отрасль постепенно сдает позиции, теряя ежегодно 10-15 % объемов производства.

В мировой практике к качеству промышленного крепежа предъявляются высокие требования. Например, Citroën допускает крепеж с долей брака три единицы на миллион, Volkswagen - 12, а на ГАЗе - 250 [2].

Качество крепежных изделий и соединений базируются на применении высококачественных сталей, прогрессивного крепежа, новых технологиях резьбообразования и сборки, прогрессивных способах контроля изделий и организации производства. Применение элек-

трофизических методов и, в частности, ультразвуковых технологий направлено на решение указанных задач в производстве крепежных изделий и в сборочно-монтажных операциях.

Наиболее перспективными в этом плане являются сборочно-резьбообразующие технологии, которые совмещают операции сопряжения, резьбообразования и стопорения. Резьбообразующие детали получают все более широкое распространение, и этому способствуют следующие показатели сборочного процесса:

- относительно простой процесс монтажа, так как не требуется дополнительная операция нарезания резьбы;

- исключение из процесса сборки резьбонарезного и мерительного инструмента;

- снижение требований по точности изготовления отверстия под резьбу;

- высокие эксплуатационные характеристики получаемых соединений, в основном за счет высоких коэффициентов стопорения;

- высокие показатели ремонтопригодности;

- возможность управления качественными показателями соединений, начиная с этапов проектирования и конструирования и заканчивая этапом сборки и затяжки;

- возможности комплексной автоматизации на основе интеллектуальных систем проектирования и конструирования резьбовых соединений, промышленных роботов нового поколения, многофункционального оборудования с ЧПУ;

- универсальность процесса, связанная с возможностью комбинации с другими способами сборки и методами стопорения, например, сборки с герметиками, резьбоклеевые соединения, стопорение в сбег резьбы и др.

Формирование технической политики в области разработки перспективных конструкций крепежных деталей и технологий их производства, ресурсных испытаний соединений, их качественных характеристик производится ведущими научно-производственными и исследовательскими организациями: РосМетиз, УкрМетиз, Ленгипрометиз, ЦНИИЧермет, УкрНИИМет и др. Основными производителями крепежной продукции являются такие производственные группы как «ММК-Метиз», «Мечел-метиз», «ПромМетиз», «Северстальме-тиз» и др.

Наряду с этим, Россия потребляет значительные объемы импортного крепежа из других стран (см. рис.1), наибольшую долю в которых занимают Тайвань, Китай и Украина. Подобная тенденция наблюдается по всему миру. Например, объемы поставок Тайваня в промышленность США достигают 650 тыс. т. К

2013 г. Тайвань планирует довести объемы импорта в мировую промышленность до 2 млн т в год. Украина импортирует в Россию более 16 % крепежа (12 тыс.т по состоянию на 2003 г.). Тайвань, Финляндия и Германия являются основными поставщиками прогрессивного крепежа в Россию.

В области производства и реализации прогрессивных конструкций самонарезающего, самостопорящегося, комбинированного, индикаторного и др. видов крепежа метизная промышленность США занимает одно из лидирующих положений. В 2004 г. ведущая компания в области производства и реализации крепежных элементов Тех1топ.

Рис. 1. Доля импорта крепежа разных стран в Россию

Fastening Systems Inc. (США) представила новую концепцию интеллектуальных крепежных элементов, сочетающих в себе механическое соединение, встроенные электронные датчики, электромеханические элементы и программное обеспечение (торговая марка Intevia™). Другая американская компания Stress Indicators, Inc. производит болты DTI SmartBolts с индикаторной головкой, которая изменяет цвет от ярко-красного до синечерного под действием осевых нагрузок. Данные крепежные элементы значительно упрощают процесс сборки и разборки, позволяют контролировать состояние соединения в течение всего его жизненного цикла. Первоначально планируется использовать данный интеллектуальный крепеж в авиакосмической отрасли, в автомобилестроении, а также в системах безопасности.

Анализ состояния резьбосборочных технологий показывает, что наряду с созданием новых конструкций крепежа происходит развитие сборочных роботов, автоматических линий и интеллектуальных систем управления. Немаловажную роль в создании технологического процесса сборки играют современные комплексы для конструирования и моделирования CAD/CAM/CAE.

Соединения с резьбообразующими шпильками

Первоначальное название таких соединений появилось в 1972 г. в вице термина «гладко-резьбовые соединения» (ГРС). Оно было введено Н.С. Буткиным, Г.Б. Иосилевичем в 1970 г. ГРС охватывают диапазон метрических резьб М5 - М22 с шагом до 2 мм. В известных работах исследованы возможности постановки деформирующих шпилек в гладкие отверстия корпусов из алюминиевых и магниевых сплавов: АЛ4, АЛ5, АЛ9, МЛ5, МЛ7, ВАЛ5, корпуса из латуни Л69, низкоуглеродистых сталей с твердостью до 190 НВ и серых чугунов с НВ<215.

По своим свойствам ГРС аналогичны соединениям с натягом по среднему диаметру. Натяг обеспечивает высокие стопорящие свойства, но в то же время вызывает значительные крутящие моменты свинчивания, а это приводит к снижению надежности сборки и плохой управляемости процессом. При сборке ГРС внутренняя резьба выдавливается заходным витком шпильки. Стопорение происходит за счет силы трения, возникающей на вершинах резьбы по наружному диаметру и боковых сторонах профиля. Последеформационная усадка корпусного материала обеспечивает радиальный натяг и надежное стопорение соединения. Значение коэффициента стопорения (отношение момента отвинчивания к моменту завинчивания) находится в пределах 0,7-1,1 для корпусов из магниевых (меньшие значения) и алюминиевых (большие значения) сплавов. В настоящее время для ГРС рекомендованы стандартные шпильки по ГОСТ 22042-ГОСТ 22043-86.

Ввинчивание деформирующих шпилек сопровождается высокими значениями крутящих моментов. Это объясняется тем, что моменты сборки ГРС имеют две составляющие: деформационную и фрикционную. При этом первая составляющая определяется заходным витком шпильки, а вторая - процессом трения на витках резьбы.

Значительные крутящие моменты ограничивают применение ГРС и снижают надежность процесса сборки. Автором разработаны несколько типов нестандартных крепежнорезьбообразующих элементов, имеющих обратную конусность по среднему диаметру посадочного конуса и треховальное сечение области заходной части в форме, приближенной к РК-профилю. Такие элементы снижают крутящие моменты сборки и повышают эксплуатационно-технические характеристики соеди-

нений. Разработаны и испытаны также шпильки с упрочненной заходной частью и самостопорящиеся шпильки с осевинтовой схемой ввинчивания (патент RU 2265143 С1), рис. 2. Предложены два условия для обеспечения надежной, качественной и устойчивой сборки:

- обеспечение высокой точности положения шпильки (винта) в начальный момент завинчивания;

- уменьшение крутящих моментов до минимума различными способами.

Снижение крутящих моментов возможно технологическими и конструктивными средствами, а также путем использования интенсифицирующих воздействий (электронагрев, ультразвук, вибрации).

Кроме того, можно использовать подбор смазочных составов, скоростей свинчивания, материалов корпусов и крепежных элементов. Конструктивные способы снижения силовой напряженности включают назначение минимальных припусков под резьбу, подбор оптимальных значений угла фаски на шпильке, применение вспомогательной оснастки, деформирующих шпилек с нестандартным профилем резьбы заходной части (а.с. 1802221).

Соединения с резьбообразующими винтами

Данный вид соединений получил наибольшее распространение. Основные области применения: автомобилестроение, при-

боростроение, авиастроение, производство оргтехники, строительство, ремонт. Вследствие относительно невысоких показателей прочности и стопорения резьбообразующие винты редко используются на ответственных участках. Однако количество вспомогательных соединений в современных узлах и агрегатах настолько велико, что проблема снижения трудоемкости их сборки весьма актуальна. Например, в вертолетах Ми-8 соединений с резьбообразующими винтами свыше 1500 шт. В современных аэробусах эта цифра достигает нескольких десятков тысяч. Их используют главным образом для соединения листовых материалов и пластмасс. Автомобилестроение США использует более половины производимых самонарезающих винтов. В производстве

электронной техники, приборов, там, где по техническим требованиям нежелательно образование стружки, используют резбовыдавли-вающие винты.

На данные изделия существуют свои стандарты в США, Германии и России: на режуще-деформирующие винты DIN 936, 937, TGL 5738, TGL 0-7513, ОСТ 23.4.91-76, ОСТ 37.001.181-81 - ОСТ 37.001.188-81, на самосвер-лящие винты TGL 34379, TGL 27440, ТУ 67-63795. Конструкции винтов постоянно совершенствуются. Для лучшей ориентации используются специальные пояски, для снижения крутящих моментов применяется особый резьбовой профиль, форма стержня винта, различные замковые элементы (рис. 3).

Винты различаются типом резьбы, конфигурацией заходной части и видом головки с элементами передачи крутящего момента. Применяется одно - и многозаходная метрическая резьба с крупным шагом, либо резьба для само-нарезающих винтов по ГОСТ Р ИСО 1478-93.

Рис.3. Типы самонарезающих винтов

Рис. 4. Типы головок винтов

Типы головок винтов менее многообразны и в основном охватывают: полукруглые с фланцем и без фланца, цилиндрические, потайные и полупотайные, шестигранные и многогранные - типов «Torx, Torx Plus, Torx Plus Autosert», зарегистрированные компанией Camcar Division of Textron Inc. (США), (рис. 4).

Приводными элементами головок (head drive elements) могут служить шлицевые пазы, крестообразные углубления, внутренние квадратные и шестигранные отверстия, шестигранные головки. По зарубежной классификации им соответствуют Phillips, Square, Hex Holder, Hex Head Drive и др. Поставками самонарезающих винтов в Россию занимаются такие компании, как Min HWEI Enterprise Co. Ltd., Win Link Fasteners Co. Ltd., Jihn Her Enterprise Co. Ltd. (Тайвань), ООО Юниксен, ООО Выбор (Россия, поставки из Китая), ЗАО Даймлеркрайслер (поставки из Германии), ряд

Российских, Украинских и Прибалтийских метизных заводов.

Соединения с резьбообразующими втулками и вставками

Используются в ремонтном производстве, для восстановления резьбового соединения, уплотнения, увеличения прочностных характеристик соединений с пластмассовым: корпусом или корпусов из легких сплавов.

В Германии и США широко используются резьбообразующие втулки «Ensat» компании Kerb-Konus-Vestriebs (Ambarg). Они имеют две или четыре прорези на заходном участке для создания режущих лепестков и предназначены для завинчивания в гладкие отверстия корпусов из пластичных материалов (Al-Mg, Al-Cu-Mg) и пластмасс.

Компания Jergens Inc. (США) вытускает комплекты ремонтных втулок «Master Thread», которые могут завинчиваться в неполнопрофильные резьбовые отверстия с частичным выщавливанием резьбы (рис. 5, а). Аналогичную продукцию производит Fitsco Industries, Великобритания, (рис. 5, б).

а) б)

Рис. 5. Резьбовые втулки компаний: а) Jergens Inc.

Резьбообразующие детали, как и другие крепежные элементы, имеют резьбовые участки, полученные нарезанием или накатыванием. Наиболее важным элементом резьбовой части является заходной виток. Его геометрия определяет механику течения металла при резьбоформировании. Самонарезающие КРЭ работают по принципу метчика. Они имеют стружечные канавки и режущие грани. Такие детали применяют для завинчивания в гладкие отверстия хрупких материалов: серых чу-гунов, текстолита, магниевых и цинковых сплавов и т.д.

Деформирующие КРЭ имеют два вида за-ходных частей:

- коническую усеченную и острую;

- в виде торцовой фаски.

Первая форма при внедрении заходного витка в радиальном направлении работает аналогично раскатнику (рис. 6, а). Вторая форма витка образована пересечением резьбового гребня

плоскостью торцовой фаски. Сформировавшаяся при этом деформирующая грань внедряется в материал корпуса в радиально-осевом направлении (рис. 6, б).

-TV

Рис. 6. Схемы работы деформирующих участков КРЭ

Первая схема работы заходной части формирует симметричную кратерную вершину внутренней резьбы, а вторая - асимметричную [3].

Точность и стабильность размеров получаемой внутренней резьбы определяется точностью и стабильностью размеров резьбовых стержней КРЭ.

Необходимо учитывать, что, в отличие от резьбовых инструментов, назначением КРЭ является не столько получение внутренней резьбы, сколько образование прочного резьбового соединения.

Плотность посадки КРЭ в отверстии зависит не только от формы заходной части, но и от других параметров, к которым можно отнести:

- технологические (материал корпуса, скорость завинчивания, припуск под резьбу, тип смазки и т.д.);

- способ изготовления стержней КРЭ (волочение, высадка, резание и др.);

- точность изготовления резьбы.

Несмотря на массу проведенных исследований, нет единого подхода в трактовке геометрии КРЭ, а также нет удобных аналитических выражений для ее описания.

В то же время геометрия деформирующей части определяет показатели всего технологического процесса сборки. Можно с уверенностью сказать, что она является базой для фор-

а

мирования всех аналитических моделей сборочного процесса - силовых, скоростных, геометрических, точностных и техникоэкономических.

Слабое внедрение в отечественную промышленность прогрессивных конструкций резьбового крепежа связано с научными, техническими и экономическими проблемами, которые, в целом прочно взаимосвязаны.

Отсутствие системного научного подхода в разработке эффективных конструкций ведет к отставанию в технологической политике и производстве не только самого крепежа, но и соответствующего оборудования. До сих пор еще не разработан и не принят к использованию подробный классификатор крепежной продукции. Известный общепромышленный классификатор давно уже не устраивает ни науку, ни производство [4].

Имеет место нежелание производителей вкладывать средства в научные разработки, что также негативно сказывается на положении отечественной метизной отрасли. В настоящее время гораздо быстрее и выгоднее купить зарубежные образцы техники, чем поддерживать научные исследования. Такое отношение можно понять, однако, и в среде зарубежных разработок не все так эффективно и качественно. Анализ патентов США, например, показывает, что многие образцы несут элементы надуманности, излишней усложненности и произведены на основе интуитивного подхода.

Современная наука давно уже позволяет разрабатывать значительное число конструкций, направленных на достижение различных эффектов: ориентации, резьбообразования, зя-тяжки, стопорения, нужного закона распределения нагрузки по виткам, усталостной прочности и т.д. Нужно только обращать внимание на разработки отечественных специалистов.

Список литературы

1. Березин С. Я. Ультразвук в процессах резьбообразования и сборки: Монография. Чита: ЧитГУ, 2009. 167 с.

2. Боярский А., Чувиляев П. Дело в шляпке //Деньги. №27(633) от 16.07.2007.

3. Березин С. Я., Чумаков Р. Е., Леонов В. Н. Научные основы технологии сборочно-резьбообразующих процессов: монография. Чита: Изд-во ЗабГГПУ. 2005. 214 с.

4. Березин С. Я., Чумаков Р. Е. Классификация крепежно-резьбообразующих элементов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2006. №5. С. 23-34.