CC BY
122
УДК 621.789
ПОВЫШЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ ТИПА «ВТУЛКА - КОРПУС» ОБЪЕМНЫМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ
ДОРНОВАНИЕМ
Морозов Александр Викторович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология машиностроения»
Федотов Геннадий Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техническая механика»
Абрамов Александр Евгеньевич, старший преподаватель кафедры «Материаловедение и технология машиностроения»
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина»
432017, г.Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; тел.: 8(8422)55-95-97;
e-mail: [email protected]
Ключевые слова: сборка с натягом, объемное электромеханическое дорнование, тонкостенные стальные втулки, шероховатость, усилие выпрессовывания, момент проворачивания.
Проанализированы существующие способы получения соединений с натягом типа «втулка - корпус», выявлены факторы, влияющие на качество данных соединений. На основании анализа, с целью повышения качества соединений с натягом типа «втулка - корпус», предложен способ объемного электромеханического дорнования. Выполнены экспериментальные исследования, на основании которых получены зависимости усилия выпрессовы-вания и момента проворачивания от шероховатости охватывающей поверхности и натяга объемного электромеханического дорнования, а также установлено влияние схемы обработки объемным электромеханическим дорнованием на качественные характеристики соединений с натягом.
Введение
В настоящее время в машиностроительном и ремонтном производстве при сборке узлов различных устройств, машин и механизмов, а также при восстановлении посадочных поверхностей дорогостоящих корпусных деталей широкое распространение получили прессовые соединения типа «втулка - корпус». Они характеризуются простотой конструкции и технологии сборки, не требуют при монтаже применения сложного оборудования, больших затрат на изготовление и в основном применяются в узлах подшипников скольжения, а также как направляющие.
В основе сборки соединений с натягом (прессовых соединений), в том числе типа «втулка - корпус», лежит процесс взаимной продольной ориентации двух деталей, сопровождающийся упругой, упруго-пластической или пластической деформацией, как шероховатостей обеих деталей,
так и матричных материалов. При этом на сопряженных поверхностях возникают контактные давления и силы трения, препятствующие сдвигу данных деталей и определяющие неподвижность относительно друг друга деталей соединения.
В настоящее время различают три основных метода сборки соединений с натягом: продольный (прессовый), поперечный и продольно-поперечный (рис. 1). К продольному методу сборки относят соединения, выполняемые с приложением осевой силы к торцу охватываемой детали. Напряженно-деформированное состояние в этом случае создается с момента начала запрессовки. К поперечному методу относят соединения, выполняемые созданием начального гарантированного зазора между сопрягаемыми деталями, необходимого для сборки. Неподвижность соединения при этом достигается нагреванием охватывающей детали (тепловой метод), охлаж-
Продольный
^ РкгРк2
пУ -А 1
Поперечный
, ? / Статический
Динамический
С нагревом детали
С охлаждением детали
II' С нагрей ом и охлаждением
На оснобе пластической деформации
1
На оснобе упругой деформации
V
8
На осноде структурных и фазоЬых превращений
Продольно-поперечный
р'\ Щ Рк2>Рк1
р. р к2 £
ю
и
Рис. 1 - Технологические методы сборки соединений с натягом типа «втулка - корпус»: Рз - усилие запрессовывания; р -давление поверхности корпуса на поверхность втулки; р - давление поверхности втулки на поверхность корпуса
дением охватываемой детали (криогенный метод), путем упругой или пластической деформации и т.д. Продольно-поперечный метод сборки соединений с натягом является комбинацией двух вышерассмотренных методов.
Продольный метод является простейшим, доступным, высокопроизводительным, не требует больших затрат на оборудование, обеспечивает прочность соединения
и возможность контроля качества сборки измерением усилия запрессовки с использованием манометра и других специальных средств. К недостаткам этого метода следует отнести повреждение сопрягаемых поверхностей и деформации тонкостенных втулок при отсутствии смазки или при больших натягах запрессовки, а также значительное снижение прочности соединения при повторной запрессовке этих же деталей.
Для получения качественного соединения с натягом применяют поперечный и продольно-поперечный методы сборки. Тепловой метод - один из самых распространенных методов поперечной сборки. Его применяют, когда запрессовка другими методами невозможна, например, при запрессовке длинных тонкостенных втулок в корпус. Охватывающую деталь нагревают ниже температуры отпуска, после чего в нее устанавливают охватываемую. Недостатки данного метода - возникновение окалины на сопрягаемых поверхностях, значительный расход электрической или тепловой энергии для нагрева деталей. При этом деформации, вызванные нагревом, способствуют возникновению микротрещин, являющихся концентраторами напряжений.
Криогенный, или метод с применением глубокого холода (до -196 °С) основан на
На оснобе магнитных превращений
Центробежный
Гидропрессойый
Комбинации 1 и 2 с 3, { 5, 6, I В, 9
получении при сборке необходимого зазора охлаждением охватываемой детали. Метод применяют для сборки небольших деталей, например, тонкостенных втулок или стержней с крупногабаритными корпусами, и он обеспечивает высокую прочность соединения. Недостатками метода явля -ются ограниченная область применения и возникновение коррозии на сопрягаемых поверхностях, которая образуется из-за конденсации на них влаги при переносе деталей из охлаждающей среды.
Использование гидропрессового метода, заключающегося в создании масляного слоя между сопрягаемыми поверхностями, позволяет снизить усилие запрессовки в несколько раз за счет уменьшения коэффициента трения. Масляный слой создается в результате нагнетания масла гидравлическими насосами под высоким давлением через специальные каналы, предусмотренные в конструкции узлов. Метод дает возможность сборки-разборки прессовых соединений без повреждения сопрягаемых деталей, но его не применяют для запрессовки тонкостенных деталей типа втулок вследствие их возможной деформации.
Прочность прессовых соединений типа «втулка-корпус» и узлов подшипников скольжения зависит от большого количество факторов (рис. 2).
Основными показателями качества прессовых соединений типа «втулка - корпус» и узлов подшипников скольжения являются: прочность и жесткость сопрягаемых деталей, износостойкость, геометрическая точность, и низкая шероховатость поверхно-
Факторы, длияющие но прочность прессовых соединении
Конструктидно-геометрические параметры — /7/ - толщина стенки дтулки, а2 - толщина стенки корпуса; Д - натяг запрессодщ конструкция Ьтулки
Технологические параметры Метод сборки; Р3 - усилие запрессодщ центрирование дтулки наличие материал о смазки
Физико-механические сЬойстЬа Ер Е2 - модуль упругости деталей; fjp - козффициент трения,; % ои - предел текучести сопрягаемых деталей
Состояние сопрягаемых поверхностей — S0 - фактическая площадь контакта; HRC - микротдердость; Rz - шероховатость сопрягаемых поверхностей
Мелодия зксплуотации — Р0[ - оседая нагрузка, МКР - крутящий момент; Г - температура
Прочие — Спосод одрадотки дтулки после зопрессодщ остаточные напряжения; релаксация напряжений
Рис. 2 - Факторы, влияющие на качество прессовых соединений
стей отверстий втулок.
При проектировании прессовых соединений необходимо учитывать влияние каждого из факторов отдельно.
От конструктивно-геометрических параметров зависят габаритные размеры деталей, их масса, контурная и фактическая площади касания сопрягаемых поверхностей и контактные давления на них.
При выборе способа сборки следует отдавать предпочтение высокопроизводительным методам, позволяющим одновременно решать несколько технологических задач.
Объемное электромеханическое дор-нование (ОЭМД) отверстий втулок, установ-
Рис. 3 - Обоймы: а - внешний вид обойм; б поверхности обойм
№4
- внутренние
б
Рис. 4 - Тонкостенные стальные втулки: а - с буртиком; б - без буртика
ленных в корпуса с натягом или с зазором, является перспективным методом получения качественного соединения с натягом при небольшом усилии электромеханического дорнования. При реализации данно-
го метода одновременно существенно повышается микротвердость (за счет фазовых превращений) и износостойкость поверхностей отверстий втулок, уменьшается высота микронеровностей. [1, 2, 3, 4, 5]
Результаты применения ОЭМД с целью получения соединений с натягом были ранее отражены в работах [1, 3, 5].
Данная статья посвящена исследованию влияния шероховатости охватывающей поверхности на качество неразъемного соединения, полученного применением ОЭМД.
Объекты и методы исследований
Для исследований были изготовлены образцы из стали 40Х, представляющие собой обоймы с различной шероховатостью внутренней поверхности (рис. 3) и тонкостенные втулки толщиной 5 = 2 мм с диаметром отверстий 29,7 мм, 29,6 мм, 29,5 мм и шероховатостью наружной поверхности Яг = 3,2 ... 3,6 мкм (рис. 4).
Для исследования влияния схемы ОЭМД на качество полученного соединения с натягом втулки изготавливали с буртиком, для осуществления ОЭМД по схеме растяжения (рис. 4, а) и без буртика для осуществления ОЭМД по схеме сжатия (рис. 4, б) [1].
Замеры поперечной шероховатости образцов до сборки выполняли на профи-лометре модели 130.0.01-ПС. Снятие кру-
щ 1
I
1
1
ОТ II 15° |
ШЕ! ВО!
а
Таблица 1
Параметры шероховатости поверхности отверстия в зависимости от вида и режимов обработки
№ обоймы Вид обработки Режим обработки Шероховатость, Rz, мкм
и, м/мин S, мм/об Поперечная Продольная
1 Черновое растачивание 315 0,13 3,8 2,4
2 Черновое растачивание 200 0,14 10,2 4,6
3 Черновое растачивание 200 0,26 41,7 8,7
4 Нарезание внутренней резьбы 160 Шаг 1,25 400 7,2
глограмм отверстий обойм, с целью определения продольной шероховатости осуществляли на кругломере модели 290 типа КД, класс точности 2, ГОСТ 17355-71.
Результаты замеров поперечной и продольной шероховатостей поверхностей отверстий обойм приведены в табл. 1.
Втулки устанавливали в обоймы с зазором H11/h11, после чего осуществляли ОЭМД на вертикально-фрезерном станке 6В11 твердосплавным инструментом - дорном (ВК8) диаметром D = 30 мм на следующих режимах: сила тока I = 5200 А, скорость перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности и = 66 мм/ мин.
Исследования на определение усилия осевого смещения втулки относительно обоймы проводили на разрывной машине Р-20 ГОСТ 1497, 12004.
Оснастка представляла собой ступенчатый вал с направляющей частью и торцевым упором и осуществляла функцию посредника (передающего звена), участвующего в передаче и ориентации направления усилия.
Момент проворачивания втулки в обойме измеряли при помощи динамометрического ключа с пределом измерения 1000 Н-м ГОСТ Р 51254-99. Обойму с запрессованной втулкой фиксировали в трехкулач-ковом патроне токарно-винторезного станка 16К20. В предварительно изготовленную в
торцевой поверхности втулки прорезь устанавливали пластину, которую с противоположной стороны вставляли в аналогичную прорезь головки динамометрического ключа. Рукоятку динамометрического ключа закрепляли в резцедержателе станка.
При повороте шпинделя стрелка ключа отклонялась, и, при проворачивании втулки в обойме, фиксировался момент проворачивания.
Результаты исследований
С целью прогнозирования поведения контактирующих поверхностей втулки и обоймы в процессе ОЭМД с учетом распределения температур от источника было выполнено моделирование данного процесса (рисунок 5, а) методом конечных элементов [6] в среде математического моделирования COMSOL Multiphysics v3.5 [7]. В результате получена модель распределения тепловых потоков в процессе ОЭМД тонкостенной стальной втулки в обойме (рис. 5, б) и построен график распределения температуры в месте пятна контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью втулки в перпендикулярном направлении обработки (по сечению А-А) (рис. 5, в).
В случае получения соединения с натягом типа «втулка - корпус» методом ОЭМД по всей длине соединения наблюдается очень плотный контакт с ярко выраженным механическим зацеплением (рис. 6).
Особенность контактирования по-
б
-г—9 7?'Г—г
Температура пятно контакта
855'С
0.005
0.015
0.025
0.035
0.04
Рис. 5 - Результаты моделирования: а - схема взаимодействия сопрягаемых поверхностей при ОЭМД: 1 - инструмент (дорн); 2 - тонкостенная втулка; 3 - корпус; б - модель распределения тепловых потоков в процессе ОЭМД тонкостенной стальной втулки в обойме; в - распределение температуры деталей по сечению А - А в направлении от пятна контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью втулки
а
в
верхностей стальных деталей, соединяемых ОЭМД, состоит в том, что более твердые микронеровности обоймы внедряются в более пластичную вследствие нагрева высокотемпературным источником, охватываемую поверхность втулки (рисунок 5, в), заполняя впадины микропрофиля охватывающей детали и существенно увеличивая фактическую площадь касания (рисунок 6).
В этом случае относительное смещение сопрягаемых поверхностей возможно только при срезании микронеровностей контакти-руемых деталей, поэтому прочность соединения повышается.
У соединений, образованных ОЭМД, в материале обоймы преобладают упругие деформации, а в более нагретой втулке -упругопластические. С увеличением шеро-
Рис. 6 - Типичные участки зоны контакта тонкостенной стальной втулки с обоймой № 4 после ОЭМД
р. и
-о--о -л- ¡- 0,3 мм 1 = 0,4 мм 1 = 0,5 мм
3,8 10,2 41,7 400 1д МКМ
а б
Рис. 7 - Зависимость усилия выпрессовывания от поперечной шероховатости и натяга i при ОЭМД: а - ОЭМД по схеме сжатия; б - ОЭМД по схеме растяжения
ховатости осевое усилие выпрессовывания возрастает (рис. 7). Наибольшее усилие выпрессовывания как по схеме сжатия, так и по схеме растяжения было зафиксировано при шероховатости отверстия обоймы Rz = 400 мкм и натяге 0,5 мм (рисунок 7).
Увеличение усилия выпрессовывания при увеличении шероховатостей объясняется внедрением более твердых выступающих частей поверхности охватывающей детали в менее твердую поверхность охватываемой детали и увеличением площади контакта.
Аналогичная картина наблюдается при исследовании влияния продольной шероховатости (рис. 8) на момент проворачивания втулки в обойме (рис. 9).
Существенное увеличение момента проворачивания при продольной шероховатости Rz = 7,2 мкм, как по схеме сжатия, так и по схеме растяжения, объясняется и зна-
чительной величиной поперечной шероховатости (Я = 400 мкм) данной обоймы (см. таблицу) и большими радиусами вершин микронеровностей, что приводит к увеличению фактической площади касания (рисунки 6, 8) [8].
Выводы
Увеличение Я в поперечном направлении с 5,8 мкм до 400 мкм приводит к увеличению усилия на выпрессовывание в 2,5...3,5 раза для обеих схем проведения ОЭМД и всех величин натягов.
При одинаковых параметрах микрогеометрии и натягах при ОЭМД по схеме сжатия усилие на выпрессовывание больше в 1,4.1,5 раза, чем при ОЭМД по схеме растяжения.
Увеличение шероховатости Rz в продольном направлении с 2,4 мкм до 8,7 мкм
№ 1
№ 2
№ 3
№ 4
Рис. 8 - Круглограммы внутренних поверхностей обойм
приводит к увеличению момента на проворачивание Мпр в 1,3...1,8 раза для обеих схем проведения ОЭМД и всех величин натягов
При одинаковых параметрах микрогеометрии и натягах при ОЭМД по схеме сжатия момент на проворачивание больше в 1,15.1,4 раза, чем при ОЭМД по схеме
растяжения.
Увеличение натяга с 0,3 мм до 0,5 мм приводит к увеличению усилия на выпрессовывание в 2,1.2,5 раза и увеличению момента на проворачивание в 1,3.1,5 раза для обеих схем проведения ОЭМД и одинаковых параметрах микрогеометрии.
Библиографический список
1. Морозов, А.В. Объемное электромеханическое дорно-вание тонкостенных стальных втулок: монография / А.В. Морозов. - Ульяновск: УГСХА им. П.А. Столыпина, 2013. - 193 с.
2. Морозов, А.В. Повышение износостойкости тонкостенных втулок при объемном электромеханическом дорновании / А.В. Морозов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. -2012. -№ 2. - С. 87-90.
3. Морозов, А.В. Качество прессового соединения, полученного объемным элек-
я 7 1д Яг, нкн
а б
Рис. 9 - Влияние продольной шероховатости ^ и натяга i при ОЭМД на момент проворачивания втулки в обойме Мп : а - ОЭМД по схеме сжатия; б - ОЭМД по схеме растяжения
тромеханическим дорнованием бронзовых втулок в замкнутом объеме / А.В. Морозов, А.Е. Абрамов, А.В. Байгулов // Научное обозрение. -2013. №1. - С. 91-97.
4. Морозов, А.В.Влияние режимов объемного электромеханического дорно-вания на износостойкость бронзовых втулок / А.В. Морозов, А.В. Байгулов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.- 2013. №1. - С. 155-160.
5. Пат. 2305028 РФ, МПК B23P 11/02, B23P 19/02, B24B 39/02. Способ сборки деталей с натягом / Федоров С.К., Морозов А.В.
- Опубл. 27.08.2007. - Бюл. № 24. - 4 с.
6. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике / О.С.Зенкевич . - М.: Мир, 1975. - 541 с.
7. Егоров, В.И. Применение ЭВМ для решения задач теплопроводности / В.И. Егоров. - СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006. - 77 с.
8. Федотов, Г.Д. Формирование свойств поверхности при отделочно-упроч-няющей электромеханической обработке среднеуглеродистых сталей / Г.Д. Федотов, А.В. Морозов // Известия ТГУ. Технические науки. - 2013. - № 7-2. - С. 395 - 405.
УДК 631.363
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МЯСОРЫБНЫХ ОТХОДОВ И ОТЖИМА ИЗ НИХ ВЛАГИ
Новиков Владимир Васильевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства»
Грецов Алексей Сергеевич, аспирант кафедры «Сельскохозяйственные машины и механизация животноводства» ФГБОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия».
446442, Самарская обл., п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Спортивная. 8а;
тел.: 8(84663) 46-3-46; e-mail: grecov_as@ mail.ru.
Ключевые слова: отжим, влажность, отходы, рыба, нож, обороты.
В статье представлена конструктивно-технологическая схема устройства для измельчения мясорыбных отходов и отжима из них влаги, а также результаты экспериментальных исследований данного устройства.
Введение
Основная проблема при применении экструзионной переработки мясо-рыбных отходов - их высокая влажность (до 85 % и более) [1, 2, 3]. Для экструзионной переработки рыбных отходов в Самарской ГСХА разработано устройство для измельчения мясорыбных отходов и отжима из них влаги, новизна технического решения которого подтверждена патентом РФ [4].
Устройство работает следующим образом. Исходный материал, подлежащий переработке, из загрузочного бункера 4 по-
II Sä
es
»1
Si
р ll
и Л
■ ■ 1 is
■■■ «5
00 s!
ступает в рабочую зону устройства, срезается и захватывается подвижными ножами 7, а затем, попадая в пространство между подвижным ножом 7 и неподвижным криволинейным ножом 6, начинает перемещаться к стенке корпуса (за счет действия окружной силы). Одновременно с этим измельченная масса, оказавшись между подвижным ножом 7 и неподвижным криволинейным ножом 6, подвергается сжатию, что приводит к оттоку (выжиманию) жидкой фракции, составляющей основу продукта. Обезвоженная масса через выгрузное окно 3 и лоток 2
