CC BY
31хода электроэнергии // Государственнноле патентное ведомство РУз. Свидетельства № 20140089, 17.12.2014 г.
3. Бороденко В.А. Ресурсосбережение как главный принцип создания устройств автоматики энергосистем // Вестник НИА РК. М., - 2006.-№2.12 с.
4. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 136с.
5. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник для учащихся техникумов. - М.: Высшая школа, 1981. - 376с.
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРКИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Малкина И.В.
Самарский государственный технический университет,
старший преподаватель Самара
IMPROVEMENT OF QUALITY OF ASSEMBLY OF PRODUCTS OF MECHANICAL
ENGINEERING
Malkina I. V.
Samara State Technical University, Senior Lecturer
Samara
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены вопросы повышение качества сборки изделий машиностроения путем применения ультразвука на базе теоретических и экспериментальных исследований физического механизма процесса и его технологических показателей. Проведен анализ влияния ультразвука на процесс пластической деформации материалов при обработке клепаных соединений.
ABSTRACT
The issues of improving the quality of assembly of mechanical engineering products through the use of ultrasound on the basis of theoretical and experimental studies of the physical mechanism of the process and its technological indicators are considered. The analysis of the effect of ultrasound on the process of plastic deformation of materials during the processing of riveting joints has been carried out.
Ключевые слова: амплитуда колебаний, диаграмма сжатия, ультразвуковые колебания, пластическая деформация, клепаные соединения, контактные поверхности, резонансный режим.
Keywords: amplitude, chart szhatimya, ultrasonic vibrations, plastic deformation, riveted connections, the contact surfaces, the resonant mode.
Особенностью современного состояния технологии машиностроения является неуклонное повышение качества выпускаемой продукции. Эксплуатационные свойства машин и агрегатов в значительной степени зависят от изготовления комплектующих узлов и сборочного процесса. Технологический процесс сборки характеризуется многовариантностью сочетаний большого количества операций. Сборка, являясь завершающей стадией технологического процесса, включает все виды соединений деталей: паяные, сварные, клепаные, клеевые, прессованные, резьбовые, соединения с зазором. Актуальность разработки научных основ проектирования технологических процессов сборки обусловлена следующими причинами:
1. В силовых элементах конструкций высоко-нагруженных агрегатов потеря работоспособности определяется изнашиванием и усталостным разрушением.
2. Для обеспечения высокого ресурса деталей машин и агрегатов необходимы практичные, без избыточной сложности модели долговечности, разработанные на базе математической статистики, технологической теплофизики, термодинамики, механики и т. д. Использование в этих целях методов современного проектирования, статистического
анализа и кинетических моделей прочности открывает новые возможности для отображения реакции поверхностного слоя деталей на внешнюю среду при изготовлении и эксплуатации.
3. Для базовых маршрутов изготовления деталей агрегатов мал опыт применения моделей теплофизики, мало исследованы структурные и энергетические характеристики, нет обновления нормативно-технологической документации.
4. Взаимосвязи между переменными состояния моделей усталостного разрушения и формированием качества поверхностного слоя деталей в условиях динамического механо-термического воздействия является сложным из-за различных подходах к выбору целевых функций.
Для упрочнения деталей машин и повышения эксплуатационных свойств объектов машиностроения используются различные методы повышения качества изготавливаемых изделий.
Упрочнение и восстановление деталей машин газотермическим напылением получило широкое распространение в промышленности. Комбинированная обработка напылением и обкатыванием обеспечивает повышение качества покрытия. Обкатывание твёрдых покрытий в горячем состоянии или мягких в холодном уменьшает их пористость,
увеличивает прочность на разрыв и уменьшает шероховатость поверхности. Традиционным методом поверхностного упрочнения деталей из сплавов алюминия является твёрдое анодирование и микродуговое оксидирование (МДО). МДО эффективно используется в различных областях промышленности с целью создания покрытий: износостойких, коррозионностойких, диэлектрических, теплостойких, химическистойких и декоративных, в том числе за счёт замены цветных сплавов, нержавеющих и жаростойких сталей и других дефицитных материалов.
Среди методов поверхностного упрочнения конструкционных материалов всё более широкое применение находят экологически чистые и ресурсосберегающие технологии. К ним относится маг-нетронная обработка, позволяющая получать тонкие плёнки (0,2...0,3 мкм) и увеличивать микротвёрдость покрытий. Данная обработка также используется для повышения долговечности деталей машин, работающих в галогеносодержащих средах при повышенных температурах
Перспективным направлением интенсификации традиционных сборочных процессов является введение ультразвуковых колебаний в зону контакта поверхностей деталей, когда наряду с основными движениями, предусмотренными технологической схемой сборки, деталям дополнительно сообщаются ультразвуковые колебания определенной частоты.
Важной особенностью ультразвука, определяющей его широкое применение в различных областях науки и техники, является возможность получения направленного, хорошо сфокусированного излучения высокой интенсивности.
Положительное воздействие ультразвуковых колебаний на процесс пластической деформации обусловлено его влиянием на контактные условия, на структуру и свойства деформируемого металла [1].
Введение ультразвуковых колебаний определенной амплитуды и частоты в зону контакта поверхностей деталей значительно улучшает качество соединений. Применение тангенциальных ультразвуковых колебаний значительно сокращают время приработки поверхностей при сборке с образованием равновесной шероховатости [2].
Внедрение технологии ультразвуковой сборки прессовых и резьбовых соединений позволяет существенно снизить силовые параметры процесса и повысить эксплуатационные показатели соединений.
В случае болтового соединения применение ультразвуковых колебаний в процессе сборки приводит к увеличению контактных давлений и, как следствие, повышению прочности соединения [3].
Несмотря на широкое распространение при механической обработке и обработке давлением, применение ультразвука в сборочных процессах носит весьма ограниченный характер, используется в основном в резьбовых соединениях и соединениях сваркой и пайкой.
Сборочные конструкции, подвергающиеся большим динамическим, вибрационным и ударным нагрузкам в основном имеют заклепочные соединения. Также широкое применение данные соединения получили в конструкциях, для которых малоэффективны методы склеивания и сварки.
Заклепки являются основными деталями соединений в транспортных машинах, при строительстве железнодорожных мостов, а так же широко используются для изготовления различных узлов и элементов самолетов, поездов или автомобилей.
При создании данного вида неразъемных соединений применяют горячее и холодное заклепывание.
Горячая клепка - способ повысить качество соединения. При расчете исходят из величины осевой нагрузки Ы, развиваемой заклепкой при усадке, и силы трения Р = , на стыке. Осевая сила
N = аБ,
где ¥ - площадь поперечного сечения заклепки; а - растягивающее напряжение, возникающее в заклепке в конце усадки:
а = Ба(^ - ¿0),
где Е и а- соответственно модуль нормальной упругости, и коэффициент линейного расширения материала заклепки;
^ - температура, при которой прекращается пластическое течение материала заклепки и начинается упругая вытяжка стержня заклепки;
1о - конечная температура охлаждения.
Трудность вывода зависимости состоит в том, что входящие в уравнение величины переменны.
При холодном клепании усадка заклепки происходит только в результате пластической деформации материала заклепки при расклепывании. В противоположность горячей клепке прочность соединения определяется главным образом сопротивлением заклепок срезу. Силы трения на стыке способствуют разгрузке заклепок от среза и смятия. Однако и здесь существуют трудно учитываемые факторы (например, прилагаемая к заклепке сила и степень пластической деформации, определяющая плотность прилегания заклепки к стенкам отверстия).
При использовании холодной клепки благоприятное влияние на прочность соединения оказывает нагартовка заклепки силой расклепывания, сопровождающаяся упрочнением материала заклепки.
В машиностроении применяют преимущественно холодное клепание, так как главных смысл применения заклепочных соединений состоит в устранении теплового воздействия и получении прочных соединений деталей без нарушения точности их размеров и взаимного расположения.
Однако в соединениях, работающих при высоких температурах, холодное клепание нецелесообразно, так как высокие температуры снимают нагартовку и уменьшают силу стяжки [4].
Эксплуатационные характеристики деталей сборных конструкций определяют надежность и
46
ЗаепсеБ of Еигоре # 38, (2019)
долговечность изделий, напрямую влияют на безотказность работы, определяют интенсивность отказов и др.
Один из положительных эффектов, получаемый при введении ультразвука в зону обработки -это значительное снижение сил резания, что отражает общую закономерность воздействия ультразвука на процессы пластического формообразования. Анализ результатов исследований показывает, что независимо от состава и исходных механических свойств металлов при ультразвуковом нагру-жении происходит снижение условного предела текучести в 3,5...4 раза и коэффициента трения в 2...4 раза.
Введение ультразвуковых колебаний является эффективным средством направленного регулирования основных показателей качества поверхностного слоя, в том числе тонкой кристаллической структуры, деформационного упрочнения и остаточных напряжений. Применение ультразвуковых методов обработки сопровождается значительным повышением усталостной прочности, контактной выносливости, контактной жесткости и износостойкости деталей машин и инструмента.
Использование эффекта снижения сопротивления пластической деформации материалов при ультразвуковом осаживании материалов нашло применение в клепаных соединениях деталей. При одном и том же усилии сжатия материалов наложение ультразвуковых колебаний позволяет получать большую абсолютную деформацию, чем при обычном нагружении, а эквивалентные деформации достигаются при значительно меньших усилиях деформирования.
Возникающие в акустической системе колебания являются упругими и описываются математическим выражением:
А = Ат ът2ф,
где А - смещение в данном элементе системы в момент времени Ат - максимальное значение смещения; / - частота колебаний.
Рассматривая формируемую головку заклепки как присоединённую к инструменту массу, можно определить силу, действующую на эту массу:
Ш 2 А
F = т—— = -$т2ф, Ш 2
где Ем - максимальное значение силы.
Длина стержня заклепки, формируемого в головку, равна полутора диаметра. Значение силы, действующей на заклепку, вычисляется по формуле:
м
л 2 г2 . еу
= 4я2/2 Ам—, §
где V - объём формируемой части заклепки; g - ускорение свободного падения; е - удельный вес материала заклепки [5].
Для реальных значений приведенных величин
= 340еЭ3,
где Б - диаметр заклепки.
Расчёты показывают, что усилие воздействия торца концентратора на заклепку приблизительно в 400 раз меньше усилия, необходимого для деформирования, следовательно, такое механическое воздействие не может существенно снизить усилие при клепке. Усилие воздействия концентратора на заклепку может быть существенно увеличено за счет введения между концентратором и заклепкой промежуточного элемента с массой М. Для получения требуемого усилия его размеры могут быть определены из формулы
еШ 2 Н = Рп
о
226
где ег - удельный вес промежуточного звена (пуансона);
ё - диаметр пуансона; Н - высота пуансона;
Ед - сила, необходимая для деформирования заклепки.
Экспериментальная работа проводилась на специально разработанной установке с частотой колебаний 18 кГц и акустической мощностью1кВт. Данная установка предназначена для формирования головок из стали, меди и алюминиевых сплавов, а также для запрессовки деталей.
Испытывались три схемы подведения ультразвуковых колебаний в зону формирования головок заклепок (рис. 1.):
а - с опорой головки заклепки на массивный опорный элемент,
б - с наличием акустической развязки, в - с подведением колебаний через промежуточный элемент, не имеющий жесткой связи с концентратором.
8аепсе8 of Бигоре # 38, (2019)
47
А
х:
А
ч ч ч \ \
ч
а).
Я
б).
ччччч^ в).
Рис. 1. Схемы подведения УЗК в зону деформирования: 1 - концентратор ультразвукового преобразователя, 2 - заклепка, 3 - массивный опорный элемент, 4 -опорный волновод акустической развязки, 5 - промежуточный элемент.
Результаты испытаний для схем а и б представ- колебаний торца концентратора А. Диаметр иссле-лены на диаграмме (рис. 2). Приведена зависимость дуемых заклепок - 3 мм. статического усилия деформации Р от амплитуды
Рис. 2. Зависимость статического усилия деформирования Р от амплитуды колебаний торца концентратора А.
С увеличением амплитуды колебаний статическое усилие заклепки уменьшается, что находится в соответствии с полученными расчётными данными. Наличие акустической развязки увеличивает эффективность процесса, так как возрастание нагрузки не вызывает столь резкого уменьшения величины А. Степень снижения Р объясняется не
столько динамическим воздействием ультразвука, сколько изменением прочности и пластичности материала в ультразвуковом поле. Данные, характеризующие влияние величины А от усилия Р для схемы с промежуточным элементом (рис. 1, в), приведены в таблице 1.
Таблица 1
3
Амплитуда колебаний волновода А,мкм
Материал 10 15 20 30
заклепок Статическое усилие Р, Н
Сплав Д1 80 60 80 100
Ст 20 90 80 90 120
48
8аепсе8 of Бигоре # 38, (2019)
Сравнение приведенных данных с результатами рис. 3. позволяет сделать вывод, что эта схема подведения колебаний к заклепке значительно эффективнее. По сравнению с клепкой без ультразвука (А = 0) усилие прессования уменьшается в 75.. .100 раз, что связано с увеличением в несколько раз амплитуды колебаний пуансона по сравнению с амплитудой концентратора А. Усилие Р при увеличении А изменяется незначительно, так как оно определяется колебательным режимом пуансона, совершающего упругие колебания между торцом
Р,Н 1000
концентратора и стержнем заклепки. При увеличении А время формирования головок заклепок резко уменьшается. Оно составляет для заклепок из сплава Д1: А = 10 мкм - 44 с; А = 20 мкм - 7.10 с; А = 30 мкм - 0,5.1 с [5,6].
Диаграмма связи оптимальной статической нагрузки с размерами пуансона представлена на рис. 3. Зависимости получены для пуансонов различной длины при неизменном диаметре 25 мм.
800
600
400
200
0
5 15 25 35 45 55 1,мм
Рис. 3. Зависимость оптимальной статической нагрузки Р от длины пуансона I.
Анализ диаграммы показывает, что с увеличением длины пуансона оптимальная статическая нагрузка возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением массы пуансона сопротивление нагрузки возрастает и требуется увеличение подводимой к пуансону мощности.
Влияние статической нагрузки на процесс формирования головок заклепок промежуточным пуансоном изучалось на заклепках из стали 20 и
Г.е
сплава Д1. Определялась зависимость времени формирования головок от статической нагрузки. Результаты, полученные для заклепок диаметром 3 мм, представлены на рис. 4.
Экспериментально установлено, что для заклепок диаметром 1.6 мм характер ее не меняется. Оптимальной во всех случаях является статическая нагрузка 350.400 Н [7].
30
20
10
0
\
✓
\1 / /
\ \ ч / /
X ■--
сталь 20
сплав Д1
0 200 400 600 800 1000 1200 Р,Н Рис. 4. Зависимость времени формирования головок / от статической нагрузки Р.
8аепсев of Бигоре # 38, (2019)
49
Проведенные исследования и анализ результатов позволяют сделать следующие выводы.
1. Использование в процессе сборки УЗК приводит к возрастанию контактных давлений и, следовательно, к повышению прочности соединений.
2. Наложение ультразвуковых колебаний на детали при сборке прессовых соединений ведёт к увеличению фактической площади контакта сопрягаемых поверхностей, что способствует повышению прочности узлов, а также значительно снижает усилие запрессовки.
3. При сборке резьбовых соединений применение ультразвуковых колебаний снижает силу трения, что ведет к уменьшению усилий затяжки и существенно уменьшает момент, необходимый для развинчивания.
4. Применение ультразвука для клёпаных соединений обеспечивает большую прочность (приблизительно на 10 %), чем прессовая клёпка и значительно улучшает эксплуатационные свойства соединений.
5. Ультразвуковая клепка позволяет осуществлять формирование нормальных головок практически без поперечной деформации стержня, что
6. Введение ультразвуковых колебаний малой приводит к снижению сопротивления пластическому деформированию, снижает усилие при деформировании в 75.. .100 раз, а также улучшает эксплуатационные свойства соединений.
7. Ультразвуковые колебания снижают усилие запрессовки приблизительно в 1,5 раза, что немаловажно при формировании головок стержней с малой продольной жесткостью, а также при соединении маложестких ажурных элементов конструкций.
Выявленные положительные факторы воздействия ультразвука на качество соединений позволяют успешно использоваться УЗК для повышения точности соединений при сборке (посадка с натягом тонкостенных колец подшипников, посадка подшипников в сборе на вал, сборка прецизионных узлов и др.).
Литература
1. Малкина И.В. Повышение качества деталей машин на этапе изготовления и сборки. Материалы Всероссийской научно-технической интернет-конференции «Высокие технологии в машиностроении». 21-25 октября 2014г. СамГТУ, 2014. - С. 90 -91.
2. Штриков Б.Л., Малкина И.В. Трибологиче-ские характеристики процесса ультразвуковой
весьма важно при расклепывании подвижных соединений. Это обусловлено тем, сто при использовании малых амплитуд УЗК экспериментальные образцы деформируются с образованием выпуклой бочки, кривизна образующей которой меньше, чем при обычном нагружении.
6. Большое преимущество ультразвукового метода склепывания наблюдается при соединение материалов с большой разницей в прочности (металлов с пластмассой, деревом, волокнистыми материалами и т.д.). Например, соединение пластин из оргстекла и стали, что невозможно при прессовой и ударной клепке, так как пластины из оргстекла разрушаются.
7. Происходит увеличение прочности на срез и смятие заклепок. Результаты испытаний (таблица 2) показали, что ультразвуковая клепка обеспечивает прочность соединений несколько большую (приблизительно на 10%), чем прессовая клепка. Характер разрушения заклепок в обоих случаях одинаков - смятие при растягивающей нагрузке.
Таблица 2
сборки// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2005, № 11. - С. 3-13.
3. Штриков Б.Л., Тепляков А.Ю., Малкина И.В. Моделирование контактных давлений в резьбовых соединениях при обычной и ультразвуковой сборке//Сборка в машиностроении, приборостроении. 2006, №10. - С. 54 - 56.
4. Ордов П.И. Основы конструирования. Спра-вочно-методическое пособие в 2-х кн. Кн. 1/отв. ред. П.Н Усачёв.- М:Машиностроение, 1988. -543с.
5. Малкина И.В. Пластическое деформирование материалов с применением ультразвуковых ко-лебаний//Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты прошлого и теории нового времени. -Изд.: Национальная ассоциация ученых, 2015. -№ 3(8). - С. 82-85.
6. Нерубай М.С., Калашников В.В., Штриков Б.Л., Яресько С.И. Физико - химические методы обработки и сборки: монография. - М.: Машиностроение^, 2005.- 395с.
7. Малкина И.В. Повышение качества сборочных соединений объектов машиностроения путем наложения ультразвуковых колебаний// «Наукоёмкие технологии в машиностроении» - № 6(60),-2016. - С. 43-50.
Способ расклепывания
Диаметр прессовый ультразвуковой
заклепок, мм Прочность соединения на разрыв, Н
2 280 311
3 480 526
