Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударно-импульсной затяжке резьбовых соединений

1

УДК 621.883

Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударно-импульсной затяжке резьбовых соединений

Шуваев В.Г., Шуваев И.В.

Самарский государственный технический университет

В статье рассмотрены вопросы повышения эффективности ударноимпульсной инерционной сборки резьбовых соединений в условиях дополнительных ультразвуковых колебаний. Приведен разработанный патентнозащищенный способ сборки резьбовых соединений, объединяющий достоинства ультразвуковой и ударной сборки.

Ключевые слова: резьбовые соединения; затяжка; ударно-импульсная сборка; ультразвуковые колебания

Application of additional ultrasonic vibration at shock-pulse tightening of

threaded joints Shuvaev V.G., Shuvaev I.V.

Samara State Technical University

The paper deals with increase of efficiency of shock-pulse inertial assembly of threaded connections at additional ultrasonic oscillations. A developed patented method of threaded connections assembly combining advantages of ultrasound and shock assembly is presented in this article.

Keywords: THREADED CONNECTIONS; FASTENER TIGHTENING; SHOCK-PULSE ASSEMBLY; ULTRASONIC OSCILLATIONS

Резьбовое соединение являются широко распространенным в машиностроении типом соединений, обеспечивающим возможность разборки и вторичной сборки изделий без повреждения сопрягаемых поверхностей деталей. Резьбовые соединения применяются в 20...35 % всех собираемых узлов, причем во многих случаях резьбовые соединения являются ответственными узлами, определяющими прочность, надежность и

безопасность всей конструкции, поэтому к резьбовым соединениям предъявляются повышенные требования.

Эффективность процесса сборки и качество собранного соединения зависят от того, насколько эффективно с точки зрения последующей эксплуатации сформированы функциональные показатели резьбового соединения (статическая прочность, усталостная прочность, стопорящие свойства и их стабильность и т.д.).

Из общего баланса времени сборки резьбовых соединений на этап затяжки приходится до 40 % времени (0,5.2 с), причем именно на этом этапе происходит силовое замыкание соединяемых деталей, сопровождаемое изменением напряженно-деформированного состояния соединения и

2

микрогеометрии резьбы, окончательно формируются

эксплуатационные свойства резьбовых соединений.

Прикладываемый при затяжке к гайке или головке болта вращающий момент уравновешивается моментом сил трения в резьбе и моментом сил трения по торцу гайки (головки винта) и соприкасающейся с ней детали, причем около 90 % затрачиваемой работы расходуется на преодоление сил трения и упругую деформацию деталей и только 10 % на создание силы затяжки для обеспечения плотности и герметичности стыков в собираемом изделии [1]. Соответственно, чем меньше коэффициент трения, тем меньшая часть работы расходуется на преодоления сил трения и тем большая ее часть расходуется на создание силы предварительной затяжки. 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 в направлении одной из координатных осей x, у или z. Наложение вибраций сопровождается уменьшением нагрузок на технологическое оборудование и снижением энергетических затрат без ухудшения несущей способности соединения. 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 m снижается в 2.. .4 раза [2].

Для получения значительных сил затяжки при сравнительно незначительной мощности привода, небольших размерах и массе гайковерта применяют устройства ударного действия, содержащие ударно-импульсный механизм, аккумулирующий кинетическую энергию, которая передается резьбовому соединению ударно-вращательными импульсами [1].

Авторами предлагается объединить ударно - импульсный и ультразвуковой методы сборки резьбовых соединений, одновременно прикладывая в процессе сборки кинетическую энергию ударного воздействия и энергию упругих механических колебаний. Технологические преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что за счет приложения ультразвуковых колебаний совместно с ударными воздействиями в соединении происходят изменения кинематических условий контактирования поверхностей, снижается трение, а также изменяется характер напряженного состояния металла в зоне трения [3].

Энергия удара (Дж) гайковерта определяется соотношением:

А = 0,4

6w6

J бЮі

* v:

где: J6 - момент инерции бойка (кг м2); юб - угловая скорость бойка перед ударом (1/сек); V' - отношение момента инерции бойка к суммарному моменту инерции наковальни, шпинделя, головки и гайки.

Для расчетов момента затяжки можно использовать выражение:

3

М, = 12,7 • 104 • d2

A

і-(і-0

1

l ,

где: Мі - момент затяжки после і - го удара, (нм); d - наружный диаметр резьбы, (м); і - число ударов; I’ - длина резьбовой части болта, (м); 0=0,02...0,04 - структурный коэффициент, учитывающий характеристики трения и податливость резьбового соединения (большее значение 0 соответствует менее податливым резьбовым соединениям). Из приведенного выражения следует, что введение ультразвука приведет к снижению структурного коэффициента 0 в 2.4 раза, что приводит к значительному снижению момента затяжки [3].

На рис. 1 представлена схема разработанного гайковерта [4], позволяющего совместить ультразвуковые и ударные воздействия при формировании резьбового соединения.

Рис. 1. Ультразвуковой гайковерт с ударным механизмом

Ударный механизм включает боек 1 и наковальню 2. При последовательных ударных взаимодействиях бойка и наковальни вращательные

4

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 14 в пьезокерамическом преобразователе 11 возбуждают ультразвуковые механические колебания и затем усиливают амплитуду колебаний концентратором 9. Пьезокерамический преобразователь 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 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16 и после преобразования подается на вход персонального компьютера (ПК) 15. Для автоматической настройки на резонанс с выхода ПК сигнал в цифровом виде подается на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 17, с выхода которого аналоговый сигнал поступает на перестраиваемый по частоте генератор ультразвуковых колебаний 14. Одновременно с этим осуществляется приложение ударно-вращательных импульсов, под воздействием которых резьбовые соединения затягивают за несколько ударных циклов.

В качестве датчика вибрации использовались датчики типа KB-10 или KD-35 с пьезоэлектрической пластиной, работающей на изгиб, благодаря своей высокой чувствительности и выгодной форме датчик обеспечивает раздельное определение различно направленных составляющих колебания.

Выводы

Одновременное использование ударных механизмов с частотой воздействия 3-40 ударов в секунду и высокочастотных ультразвуковых колебаний, рабочий диапазон частот которых составляет около 20000 воздействий в секунду, способствует снижению энергоемкости и увеличению производительности процесса сборки резьбовых соединений до 20 %.

Использование максимальных усилий затяжки дает дополнительный эффект стопорения резьбовой пары за счет растяжения витков резьбы и изменения шага резьбы на первых трех - пяти витках.

Значительный эффект может дать применение разработанного устройства при разборке резьбовых соединений охваченных коррозией, в условиях схватывания, при наличии различного рода наполнителей.

Список литературы

1. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Технология сборки в машиностроении. Т. III-5 / А.А. Гусев, В.В. Павлов, А.Г. Андреев и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. -2006. - 640 с.

5

2. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. -М.: Машиностроение, 1980. - 237 с.

3. 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.

4. Патент РФ № 2414339, МПК В23Р19/06; опубликовано 20.03.2011. Бюл. № 8. Способ сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев.