Особенности контактного взаимодействия деталей в условиях запрессовки с дополнительными ультразвуковыми колебаниями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Механика и машиностроение

УДК 621.757:62-752

ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЗАПРЕССОВКИ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ

© 2011 В.Г. Шуваев

Самарский государственный технический университет, г. Самара

Поступила в редакцию 10.11.2011

Традиционные технологии сборки неподвижных соединений не всегда обеспе-чивают требуемый уровень функциональ-ного качества изделий, в связи с чем разрабатываются новые способы формирования соединений деталей, дающие возможность в некоторых пределах уп-равлять их контактным взаимодействием для повышения эффективности процесса и получения изделий гарантированного качества.

При сборке соединений с натягом создаваемое силовым замыканием осевое усилие воспринимается силами трения между контактирующими поверхностями и расходуется на локальные деформации деталей, в результате чего даже при больших величинах сборочных усилий достигаемое относительное положение деталей не является стабильным и изменяется при воздействии эксплуатационных факторов.

При сборке с ультразвуком (УЗ) дополнительные колебания вносят знакопеременное воздействие, существенно изменяют силовую схему нагружения, влияя на контактные условия, на свойства и структуру контактных поверхностей деталей, на схему напряженного состояния. В процессе УЗ сборки меняется характер контактного взаимодействия поверхностей, происходит

преобразование трения из сухого в жидкостное, снижается предел текучести материала [1].

Существенное снижение трения при запрессовке может быть обеспечено тем, что на смазанную поверхность воздействуют упругие ультразвуковые колебания, введение которых дополнительно уменьшает трение, способствует возник-новению

кавитационных процессов, интенсивному

испарению смазки и образо-ванию тонкого равномерного смазочного облака. Кроме того, ультразвуковые колебания и возникающая кавитация ведут к быстрому и интенсивному очищению поверхностей контактирования и образованию ювенильных зон (участков чистого металла). В этих зонах происходит химическое схватывание материалов соединяемых деталей, а в условиях ультразвуковых колебаний - и микросварка, что значительно повышает прочность соединения [2].

Рассмотрим возможности повышения

эффективности сборки и обеспечения необходимой прочности прессовых соединений на примере

запрессовки зубков в корпус шарошки бурового долота. Отклонения от оптимальной величины натяга приводят либо к быстрому выпадению зубков в случае недостаточного натяга, либо к разрушению шарошки из-за возникновения трещин в корпусе вследствие повышенного натяга. Предлагается использовать УЗ колебания в процессе запрессовки для снижения трения и облегчения ведения процесса, а затем фиксировать положение зубка переходом к режиму микросварки (схватывания), причем для контроля качества формируемого соединения используются динамические показатели механической колебательной системы [3].

На рис. 1 изображена структурная схема разработанной установки для осуществления запрессовки зубков в корпус шарошки бурового долота. Установка содержит силоизмерительный датчик 1 резистивного типа, соединяемые детали -зубок 2 и шарошку 3, концентратор колебательной энергии 4, пьезокерамический вибровозбудитель 5, противовес 6, шток гидроцилиндра 7, датчики вибрации 8 и 9, генератор ультразвуковых колебаний типа ГЗ-109, датчик перемещения резистивного типа 11, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) типа ЛA2USB 12, 13, 14 и 15, а также персональный компьютер ПК. Соединяемые детали 2 и 3 устанавливают на сборочной позиции до совпадения их осей и затем в зону контактирования деталей вводят смазку. Варианты нанесения, состав, консистенция смазки могут быть различными.

С помощью штока гидроцилиндра через концентратор колебательной энергии к соединяемым деталям прикладывают сборочное усилие и одновременно с помощью генератора и пьезокерамического возбудителя в собираемых деталях возбуждают упругие ультразвуковые колебания. В процессе запрессовки непрерывно с помощью силоизмерительного датчика и датчика перемещения в компьютер ПК поступает информация о сборочном усилии и относительном осевом перемещении зубка 2. Одновременно, на протяжении всего сборочного процесса с помощью датчиков в ПК поступает информация о частотных характеристиках формируемого прессового соединения.

1261

Известия Самарского научного центра РАН, 2011. Т.13. №4(3)

Рис. 1. Схема УЗ запрессовки зубков шарошечных долот

В процессе запрессовки измеряют вибрации колебательной механической системы,

образованной корпусом шарошки и твердосплавными зубками. Вибрационный сигнал фильтруют с помощью фильтра низкой частоты и анализируют его амплитудно-частотную

характеристику. Когда частота вынуждающей силы приближается к частоте свободных колебаний системы, происходит быстрое увеличение коэффициента динамичности системы р, показывающего во сколько раз амплитуда установившихся вынужденных колебаний больше перемещения, вызываемого статически

приложенной силой.

Резонансная кривая системы строится, как зависимость коэффициента динамичности р от отношения частот вынужденных и собственных колебаний. Значение коэффициента динамичности в зоне резонанса носит название добротности Q колебательной механической системы:

л/сйп 2

Н'рез = Q = С = №с ■ ГП,

где с - обобщенный коэффициент жесткости системы; m - приведенная масса системы; k -обобщенный коэффициент демпфирования [4].

С помощью специальных программ ПК непрерывно осуществляется расчет и контроль коэффициента динамичности р формируемого соединения. При достижении собираемыми деталями требуемого осевого относительного положения они фиксируются усилием, не допускающим

относительного осевого обратного смещения, и с помощью генератора на детали осуществляют ультразвуковое воздействие повышенной амплитуды до момента достижения коэффициентом динамичности р заданного значения. После этого сборочный процесс завершается.

Исследование поверхности твердосплавных зубков на наличие узлов схватывания производилось на модерни-зированном для этих целей микроскопе МИС-11. Поверхность твердосплавных зубков была исследована до запрессовки и после распрессовки. Анализ показал, что при воздействии ультразвука в течение одной секунды площадь узлов схватывания в зонах контакта составляет 3,5 % от общей видимой поверхности зубка. С увеличением времени воздействия ультразвука относительная площадь узлов схватывания возрастает до 60 %, а далее начинает снижаться и, например, при воздействии ультразвука в течение 60 секунд не превышает 40 %.

Полученные результаты, в зависи-мости от диаметров запрессовываемых зуб-ков, показывают, что при запрессовке зуб-ков с применением резонансных колебаний и смазки среднее усилие запрессовки снизилось на 11^42% с одновременным повышением прочности соединений до 12U20%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Штриков Б.Л., Калашников В.В. Ультразвуковая сборка. - М.: Машиностроение-1, 2006. - 225 с.

2. Патент РФ на изобретение № 2357848; Опубликован 10.06.2009. Способ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота./ Богомолов РМ., Ищук А. Г., Кремлёв В. И., Носов Н.

B. , Шуваев В.Г., Папшев В. А.

3. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г. Контроль динамических

показателей качества прессовых соединений при сборке с наложением ультразвуковых колебаний//Сборка в машиностроении,

приборостроении, 2002, №4, С. 32-34.

4. Шуваев В.Г. Диагностика пресс-совых соединений при ультразвуковой сборке//Сборка в машиностроении, приборостроении. «Машиностроение», 2007 г. №1.

C. 3-6.

FEATURES OF CONTACT INTERACTION OF PARTS IN CONDITIONS OF PRESS FITTING WITH ADDITIONAL ULTRASONIC VIBRATIONS

Shuvaev V.G.

Samara State Technical University, Samara

1262