Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы повышения качества сборки прессовых соединений 10
1.1 Конструкции и способы сборки прессовых соединений 10
1.2 Анализ технологий сборки прессовых соединений по способу создания контактных давлений 16
1.3 Технологические способы повышения качества сборки прессовых соединений 18
1.4 Анализ математических моделей определяющих нагрузочную способность прессовых соединений 24
1.5 Выводы по обзору. Цель и задачи исследования 38
2 Моделирование процесса сборки прессовых соединений с увеличенными допусками на обработку сопрягаемых поверхностей 40
2.1 Сборка прессовых соединений с тонкостенной охватываемой деталью 40
2.2 Сборка прессовых соединений с промежуточной втулкой
2.2.1 Оценка влияния градиента механических свойств и геометрических параметров промежуточной втулки на нагрузочную способность соединения 63
2.2.2 Оценка влияния погрешностей размеров элементов прессового соединения на точность сборки 71
2.3 Выводы 77
3 Экспериментальные исследования факторов, влияющих на нагрузочную способность прессовых соединений. сопоставление расчетных и экспериментальных данных
3.1 Геометрические параметры элементов соединений 80
3.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований 80
3.1.2 Результаты исследований
3.2 Механические свойства материала элементов соединений 95
3.3 Усилие сборки соединений 104
3.4 Точность сборки прессовых соединений с промежуточной втулкой... 111
3.5 Выводы 114
4 Промышленное применение результатов исследований 115
4.1 Разработка технологического процесса сборки прессовых соединений с промежуточной втулкой 115
4.2 Замена резьбовых соединений при сборке на прессовые 127
4.3 Повышение качества двухэлементных прессовых соединений 129
4.4 Анализ экономической эффективности предлагаемого способа сборки прессовых соединений 131
4.5 Выводы 139
Заключение 140
Список литературы
- Технологические способы повышения качества сборки прессовых соединений
- Сборка прессовых соединений с промежуточной втулкой
- Механические свойства материала элементов соединений
- Повышение качества двухэлементных прессовых соединений
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из распространенных видов неподвижных соединений в машиностроении являются соединения с натягом. Необходимое качество сборки таких соединений, которое принято характеризовать стабильностью нагрузочной способности, технологически обеспечивается высокой точностью обработки сопрягаемых поверхностей деталей, соответствующей 5-7 квалитету. Но при этом прочность (нагрузочная способность) соединений может изменяться в несколько раз, даже в пределах заданных допусков на изготовление собираемых деталей.
Поэтому в настоящее время, особенно в условиях мелкосерийного производства, эффективно применение видов соединений с натягом, отличительным признаком которых является использование при сборке пластической деформации одной из деталей или дополнительной детали (промежуточной втулки). При этом обеспечивается повышенная нагрузочная способность, снижаются требования к точности изготовления и качеству сопрягаемых поверхностей деталей перед сборкой.
Основными причинами, сдерживающими внедрение методов сборки с использованием пластической деформации, являются сложность назначения оптимальных технологических параметров, обеспечивающих требуемое качество сборки, отсутствие исследований, устанавливающих взаимосвязь между геометрическими и силовыми параметрами процесса сборки и параметрами качества получаемых соединений, инженерных методик проектирования и прогнозирования нагрузочной способности получаемых соединений.
Поэтому исследования, направленные на разработку научно-обоснованных методов проектирования технологических процессов сборки прессовых соединений с использованием пластического деформирования, обоснованное назначение технологических параметров, обеспечение получения качественных прессовых соединений являются актуальными задачами.
Степень разработанности темы исследования. Исследования по обеспечению требуемой нагрузочной способности и повышению качества сборки прессовых соединений освещены в трудах многих ученых: Гречищева Е. С., Абрамова И. В., Иванова А.С., Безъязычного В. Ф., Ильященко А. А., Курносова Н. Е., Беляева Н.С., Щенятского А. В., Арпеньтьева Б. М., Проскурякова Ю. Г., Рогового В. М., Бобровкова Г.А. и др.
В их работах представлено большое количество информации по сборке прессовых соединений, которая включает в себя рекомендации по выбору сборочного инструмента, оборудования, методов контроля качества, а также результаты экспериментальных исследований и теоретические зависимости, показывающие влияние различных конструктивно-технологических факторов на нагрузочную способность прессовых соединений. Однако исследования в области проектирования технологических процессов сборки прессовых соединений с повышенными допусками на обработку сопрягаемых поверхностей не проводились.
Цель работы. Обеспечение заданных значений нагрузочной способности прессовых соединений при увеличенных допусках на обработку сопрягаемых поверхностей деталей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-
Разработка математической модели процесса сборки соединений с натягом, содержащих промежуточную втулку, установление влияния механических свойств материала собираемых деталей и их распределения на нагрузочную способность получаемых соединений.
-
Получение аналитических зависимостей, определяющих величину и характер влияния геометрических параметров собираемых деталей на прочность соединений с натягом.
-
Проведение экспериментальных исследований для оценки влияния конструктивных и технологических параметров сборки на нагрузочную способность соединений в осевом и окружном направлении.
4. Разработка инженерной методики проектирования процессов сборки
прессовых соединений при повышенных допусках на точность изготовления со
прягаемых поверхностей.
Объект исследования. Процесс сборки соединений с натягом с использованием промежуточной втулки или тонкостенной охватываемой детали, имеющих переменную жесткость в продольном направлении.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель, позволяющая определить оптимальное распределение механических свойств материала промежуточной втулки, обеспечивающее повышенную нагрузочную способность прессовых соединений с учетом увеличенных допусков на обработку элементов соединения.
-
Установлен характер влияния величины градиента жесткости тонкостенной охватываемой детали и промежуточной втулки на прочностные характеристики прессовых соединений и определены оптимальные значения градиента для соединений, имеющих различные геометрические параметры и условия сборки.
-
На основе статистической обработки результатов моделирования и экспериментальных исследований получены зависимости для определения нагрузочной способности прессовых соединений, учитывающие монтажный зазор при сборке, относительную высоту соединения, усилие сборки.
4. Предложен алгоритм проектирования операций сборки трехэлементных
прессовых соединений, содержащих промежуточную втулку.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан способ сборки (патент на изобретение № 2508181) и конструкция прессового соединения, содержащего промежуточную втулку с переменной продольной жесткостью (патент на изобретение № 2481938). Предложенная конструкция соединения позволяет обеспечить повышенные значения нагрузочной способности при обработке сопрягаемых поверхностей собираемых деталей в пределах увеличенных допусков (IT 11 – IT13).
Сформулированы практические рекомендации по разработке технологических процессов сборки соединений с использованием промежуточной втулки и тонкостенной охватываемой детали, назначению их рациональных конструктивных параметров, выбору материалов и режимов термообработки промежуточной втулки, определению энергосиловых параметров процесса сборки формируемых соединений.
Методология и методы исследования. В работе приведены теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе научных положений технологии машиностроения, теории пластичности, теории планирования эксперимента. Использовалось математическое моделирование на основе метода тонких сечений, метода конечных элементов, который реализован на базе программного комплекса DEFORM-3D. При конструировании использовалось трехмерное моделирование в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D. Экспериментальная часть работы выполнена с использованием методик определения твердости на твердомере ПМТ-3, определения механических свойств материалов на разрывной машине Р-10, определения нагрузочной способности прессовых соединений в окружном направлении на машине для испытания образцов на кручение К-05, и осевом направлении на разрывных машинах Р-05, Р-10. Для оценки качества поверхности сопрягаемых деталей применялись профилометры 170622 и 201. Термическую обработку деталей прессовых соединений проводили с использованием индуктора И-120. Для сборки крупногабаритных соединений использовался гидравлический пресс П-50. С помощью лекальных призм произведено измерение и сравнение отклонений от перпендикулярности и соосности собранных прессовых соединений. Обработка результатов теоретических и экспериментальных исследований выполнена с использованием пакетов программных приложений MathCAD, Microsoft Excel.
Достоверность представленных в работе исследований подтверждается согласованностью расчетных и экспериментальных данных, обоснованность выводов подтверждается достаточным количеством экспериментального материала и апробацией полученных результатов. Результаты работы получены с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, проведена проверка по t-критерию Стьюдента.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель расчета оптимального значения градиента механических свойств материала промежуточной втулки, обеспечивающего повышенную нагрузочную способность прессовых соединений при увеличенных допусках на изготовление сопрягаемых поверхностей и с учетом ограничения усилия сборки.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие с учетом увеличенных допусков на обработку элементов прессовых соединений определить влияние конструктивных и технологических параметров процесса сборки соединении на величину их нагрузочной способности.
-
Алгоритм проектирования операций сборки трехэлементных прессовых соединений с промежуточной втулкой.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность исследований подтверждается воспроизводимостью результатов экспериментальных данных и их сходимостью с результатами моделирования.
Материалы исследований доложены и обсуждены на: заседаниях кафедр «Металлорежущие станки и инструменты» и «Ракетные двигатели и высокоэнергетические устройства автоматических систем» (БТИ АлтГТУ, Бийск) в период с
2011 по 2016 г.; 8-й, 11-й Всероссийской научно-практической конференции
«Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на
современном этапе» (Новосибирск 2010 г., 2013 г.); 1-й, 3-й Международной
научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (Бийск
2010 г., Барнаул 2012 г.); 6-й Всероссийской научно-практической конференции
«Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Бийск
2012 г.); 3-й Научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и мо
делирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск 2012 г.), 1-й
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в
машиностроении» (Новосибирск 2014 г.); 6-й, 7-й Международной научно-
практической конференции «Инновации в машиностроении – основа технологи
ческого развития России» (Барнаул 2014 г., Кемерово 2015 г.).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению на ЗАО «ПО «Спецавтоматика» (г. Бийск).
Публикации. По материалам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 23 работы, в том числе 4 работы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также получено два патента на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 117 наименований, двух приложений.
Работа содержит 158 страниц, в том числе 154 страницы основного текста, 73 рисунка, 8 таблиц и 2 приложения на четырех страницах.
Технологические способы повышения качества сборки прессовых соединений
Однако использование в качестве охватываемой тонкостенной детали создает дополнительные проблемы при сборке, связанные с возможной потерей устойчивости во время запрессовки [13, 82, 86].
Одинаковые по конструкции прессовые соединения можно собирать различными способами. К основным способам сборки следует отнести: механический [24], термический [56, 10, 55], гидропрессовый [103] и с наложением ультразвуковых колебаний [81].
Основным преимуществом механической сборки является ее высокая производительность. К числу недостатков этого способа сборки относятся: возможность повреждения сопрягаемых поверхностей (риски, задиры), значительное рассеяние значений усилий запрессовки и распрессовки, практическая невозможность применения эффективных антикоррозионных покрытий.
Термический способ сборки осуществляется с помощью нагрева охватывающей или охлаждения охватываемой детали. Охватывающую деталь могут нагревать индукционным методом [62, 73], в камерных электропечах, с помощью горелок, в ваннах с жидкостью. Температура нагрева зависит от натяга, коэффициента температурного расширения материала, температуры окружающей среды и, как правило, не должна превышать значения, при котором происходит структурное изменение материала.
Преимуществами охлаждения являются: высокая прочность соединений и отсутствие повреждений сопрягаемых поверхностей [15]. К недостаткам относятся: значительный расход охлаждающих материалов и невозможность осуществления посадок с большими натягами. Последнюю проблему возможно решить с помощью изготовления сопрягаемых деталей из материалов с эффектом памяти формы [93, 108].
Основными достоинствами термического метода сборки, в общем, являются: высокая прочность соединения, исключение повреждений поверхностей при формировании, возможность применения эффективных антикоррозионных покрытий. Однако этот способ существенно снижает технико-экономическую эф 15 фективность сборки, особенно при использовании низкотемпературных хладоно-сителей.
Гидропрессовый способ сборки и разборки соединений [103] осуществляется с помощью нагнетания масла в зону соединения. Давление масла должно превосходить величину среднего контактного давления на сопрягаемых поверхностях; тогда между деталями образуется пленка масла, которая во много раз снижает коэффициент трения. В результате этого для смещения деталей требуется заметно меньшее усилие, чем при механической запрессовке и распрессовке. Для равномерного распределения масла по соединяемым поверхностям во втулке или на валу делают кольцевую маслораспределительную канавку. Ее расположение должно предусматривать равномерное распространение масла по обе стороны канавки.
Достоинствами гидропрессового метода сборки являются: высокая производительность процесса, возможность получения сопряжений с любым, определяемым давлением масла натягом, отсутствие повреждений сопрягаемых поверхностей. Обеспечивая при этом существенное снижение усилия запрессовки, такой метод сборки становится практически безальтернативным для соединений большого диаметра, например, используемых при сборке нефтедобывающего и бумагоделательного оборудования [102, 18]. К недостаткам следует отнести несколько меньшую прочность соединений по сравнению с термическими соединениями при равных натягах, а также увеличение относительных затрат за счет доработки конструкции соединений, особенно малого диаметра, и необходимости использования гидравлических насосов высокого давления.
Сборка прессовых соединений при наложении ультразвуковых колебаний [81, 101] заключается в том, что введение ультразвука в металлы в твердом состоянии вызывает увеличение плотности структурных несовершенств (дислокаций, вакансий) и изменение характера взаимодействия между поверхностями, что в свою очередь изменяет свойства материала и влияет на процесс его деформирования [71]. Все это определяет возможность использования ультразвука при сборке соединений с натягом с целью уменьшения технологического усилия. Вместе с тем, применение высокотехнологичного ультразвукового оборудования для формирования высоконапряженных посадок малоэффективно и в значительной мере увеличивает затраты на проведение сборочных работ.
Для анализа технологических процессов сборки прессовых соединений предлагается их классификация по способу создания контактных давлений (рисунок 1.5).
Все способы получения контактных давлений на сопрягаемых поверхностях деталей можно разделить на три группы: 1. Сборка прессовых соединений приемущественно упругим деформированием (рисунок 1.6а) зоны сопрягаемых поверхностей имеет ряд недостатков: - необходима высокая точность деталей (5-7 квалитет); - необходимо высокое качество обработки сопрягаемых поверхностей (0,5-1,3 Ra); - сложность автоматизации сборочного процесса (требуется высокая точность базирования собираемых деталей); - нестабильное значение нагрузочной способности соединений (даже при посадках в пределах допусков IT6-IT7 нагрузочная способность ПС изменится в несколько раз); - требуется предохранительный механизм для исключения поломки сборочного инструмента при неправильной постановке собираемых деталей. - колебания коэффициента трения; - неравномерный характер распределения контактных давлений по контактным поверхностям; - сложность сборки и разборки.
Сборка прессовых соединений с промежуточной втулкой
При сборке прессовых соединений с пластическим деформированием зоны сопрягаемых поверхностей необходимо определить границы технологических возможностей операции, установить условия сборки без потери устойчивости тонкостенных элементов, выявить основные конструктивно-технологические параметры процесса сборки, позволяющие повысить качество соединений. Для этого необходимо знать величину и характер распределения контактных давлений на сопрягаемых поверхностях, которые можно получить с помощью анализа напряженно-деформированного состояния всех элементов соединения в процессе и после их сборки. Поэтому целью теоретической части исследования являлась разработка математических моделей, позволяющих определить: - напряженно-деформированное состояние зоны сопрягаемых поверхностей соединений с натягом, содержащих пластически деформируемую деталь; - геометрические параметры элементов соединений, обеспечивающие при сборке повышенную нагрузочную способность и качество прессовых соединений; - энергосиловые параметры процесса сборки этих соединений; - механические свойства материалов собираемых деталей, которые обеспечили бы требуемую нагрузочную способность соединения при увеличенных допусках на обработку сопрягаемых поверхностей.
В практике сборки прессовых соединений встречаются случаи, когда в качестве охватываемой детали используются тонкостенные деформируемые элементы типа колпачка или тонкостенной втулки. Обеспечение необходимой нагрузочной способности таких соединений осложняется тем, что в процессе запрес 41 совки колпачок может терять устойчивость, что приводит к уменьшению поверхности контакта (рисунок 2.1а) а, следовательно, и нагрузочной способности прес сового соединения.
Одним из путей решения данной проблемы является обеспечение переменной жесткости тонкостенного элемента, которая может быть достигнута за счет: - изменения толщины стенки по высоте соединения; - заданием градиента механических свойств материала по высоте соединения, например, с помощью локальной термообработкой ТВЧ.
В качестве объекта моделирования было принято прессовое соединение охватываемой детали в виде тонкостенного колпачка и охватывающей – в виде толстостенного корпуса. Целью моделирования данного типа соединений являлось определение профиля поперечного сечения тонкостенного деформируемого элемента (колпачка), позволяющего получить повышенное значение нагрузочной способности при увеличенных допусках на обработку сопрягаемых поверхностей.
Моделирование процесса сборки проводили с использованием программного комплекса DEFORM-3D, основанного на методе конечных элементов [20], согласно следующей последовательности: 1) Создавали геометрические объекты в графическом формате STL для всех частей расчетной модели с использованием системы автоматического проектиро вания КОМПАС-3D. В данном случае под частью расчетной модели следует по нимать область пространства, ограниченную геометрическими поверхностями и обладающую уникальными физико-механическими свойствами, в частности эта область может являться только частью физического объекта исследования (т.е. частью втулки, колпачка). Затем геометрические объекты импортировали в про граммный комплекс DEFORM-3D.
2) Выбирали тип конечного элемента – трехмерный четырехузловой. Для некоторых типов задач использовали двумерный осесимметричный элемент, предназначенный для моделирования тел вращения, позволяющий значительно сократить процессорное время расчета по сравнению с трехмерным типом элемента без потери точности решения в случае осесимметричного нагружения.
3) Деформируемые части расчетной модели разбивали конечно-элементной сеткой. Сетка имела возможность полной адаптивной перестройки при превышении искажения ее элементов более чем на 10%. Профиль тонкостенного деформируемого элемента (колпачок, втулка) в исходном состоянии разбивался на 2000 конечных элементов. Всего модель включала в себя более 30000 конечных элементов. Такое количество элементов оказалось достаточным для аппроксимации с высокой степенью точности исходной твердотельной геометрической модели конечно-элементной сеткой.
4) Назначали параметры, определяющие механические свойства материала каждой из частей расчетной модели. Для описания поведения частей пластически деформируемых тонкостенных элементов использовали изотропную упругопла-стическую модель материала. Механические свойства модели (кривая упрочнения) задавались табличным методом с помощью шести соотношений (точек на кривой упрочнения) между напряжениями и соответствующими им деформациями i=i(i). В данной модели поведения материала не учитывалось влияние температурного фактора и влияние ползучести
Механические свойства материала элементов соединений
На рисунке 2.15а изображено широко применяемое в машиностроении двухэлементное прессовое соединение, содержащее охватывающую корпусную деталь 1, охватываемую – вал 2 и собираемое в большинстве случаев продольно-прессовым способом. На рисунке 2.15б изображено трехэлементное прессовое соединение, дополнительно содержащее пластически деформируемую втулку с переменным распределением механических свойств в осевом направлении [32, 44], при осадке которой происходит соединение деталей.
Из графика, представленного на рисунке 2.16, видно, что обычные двухэлементные прессовые соединения имеют 10% превышение нагрузочной способности над усилием сборки. Это объясняется [24] тем, что во время сборки на контактной поверхности соединяемых деталей действуют реактивные силы, обусловленные динамическим коэффициентом трения, а после сборки, когда элементы соединения неподвижны друг относительно друга – более высоким статическим. Трехэлементные прессовые соединения имеют более чем четырехкратное превышение сборочного усилия над значением нагрузочной способности соединения в осевом направлении, поскольку при их сборке требуется прикладывать усилие, которое должно обеспечить с помощью сжатия пластическое деформирование и затекание материала втулки в зазор между соединяемыми деталями. Таким образом, для обеспечения одного и того же значения нагрузочной способности двух- и трехэлементного прессового соединения при сборке трехэлементного прессового соединения требуется приложение со стороны сборочного инструмента усилия в 4-5 раз большего. Однако, в случае использования промежуточной втулки с постоянным распределением механических свойств (в соединениях с относительной высотой 1,5 и более), увеличение сборочного усилия даже в 7 раз не обеспечивает требуемую нагрузочную способность соединения. Так как верхняя часть втулки в процессе ее осадки резко раздается с образованием фланца, основ ная часть усилия при этом сосредоточивается на фланцевой части втулки и не приводит к дальнейшей компенсации монтажного зазора между соединяемыми деталями.
Рисунок 2.16 – Зависимость нагрузочной способности соединения от его усилия сборки: 1 – двухэлементное соединение; 2 – соединение, содержащее промежуточную втулку с градиентным распределением механических свойств; 3 –соединение, содержащее промежуточную втулку с равномерным распределением механических свойств. Согласно схеме сборки, представленной на рисунке 2.15а, перемещение сборочного инструмента Lсбор равно длине сопрягаемых поверхностей соединения, а усилие возрастает линейно от перемещения инструмента. При этом перемещение инструмента при осадке промежуточной втулки (рисунок 2.15б) на порядок меньше высоты соединения и примерно равно высоте выступающей части втулки Lсбор. Зависимость усилия сборки соединения от перемещения рабочего инструмента, представленная на рисунке 2.17, позволяет сравнить энергозатраты сборочного процесса (заштрихованные области на графике соответствуют работе, совершаемой при сборке). Анализ показал, что энергозатраты при сборке трехэлементных соединений приблизительно в 1,7 раза меньше, чем при сборке двухэлементных соединений обладающей той же нагрузочной способностью.
Таким образом, несмотря на повышенные усилия сборки трехэлементных прессовых соединений, достигается их энергоэффективность за счет малых перемещений сборочного инструмента, что с учетом пониженной точности обработки сопрягаемых поверхностей деталей делает данный способ сборки более предпочтительным. 2.2.1 Оценка влияния градиента механических свойств и геометрических параметров промежуточной втулки на нагрузочную способность соединения
Согласно [28] промежуточная деформируемая втулка должна иметь градиентное распределение механических свойств по ее высоте. Градиент механических свойств формируется за счет термообработки втулки ТВЧ. В зависимости от условий термообработки градиент может иметь различные значения (рисунок 2.18), обеспечивающие, как показали экспериментальные исследования [32], значительное изменение нагрузочной способности прессового соединения. Поэтому целью являлась разработка математической модели, определяющей влияние величины градиента и геометрических параметров деформируемой втулки на значение нагрузочной способности соединения (рисунок 2.19).
Повышение качества двухэлементных прессовых соединений
Полученные зависимости определяют оптимальные геометрические параметры промежуточной втулки для получения наибольшей нагрузочной способности соединения в осевом и окружном направлениях.
Так, например, при уменьшении рассчитанной по (3.6) величины припуска втулки в 1,3 раза радиальные контактные напряжения по высоте соединения распределяются неравномерно (рисунок 3.8б), а нагрузочная способность такого соединения снижается. Связано это с тем, что при уменьшении высоты припуска втулки H необходимо увеличивать ее толщину для сохранения равенства объема материала втулки и пространства между охватываемой и охватывающей деталями. При увеличении толщины промежуточной втулки площадь ее поперечного сечения, а, следовательно, и усилие ее осадки возрастает квадратично. При этом в верхней части соединения, где втулка имеет наибольшее термическое упрочнение материала, пластические деформации будут иметь величину недостаточную для компенсации зазора между охватываемой 2 и охватывающей деталями 1. Для достижения нагрузочной способности соответствующей соединению, представленному на рисунке 3.8а и плотного заполнения зазора материалом промежуточной втулки необходимо увеличить усилие сборки этого соединения примерно в 1,7 раза.
При увеличении рассчитанного по (3.6) припуска в 1,2 раза (рисунок 3.8в) площадь поперечного сечения втулки уменьшается настолько, что усилие сборки необходимое для осадки втулки уменьшается примерно в 1,8 раза. При этом нагрузочная способность соединения также снижается, а увеличение сборочного усилия не приводит к повышению нагрузочной способности соединения. Объяснить это можно тем, что для компенсации одинаковой величины радиального зазора в соединении, втулке с меньшей толщиной стенки необходимо получить большие пластические деформации, чем более толстостенной втулке. Поэтому даже с учетом того, что при осадке преобладают сжимающие напряжения, т.е. возникает «мягкая» схема напряженно-деформированного состояния и, как следствие, происходит повышение пластичности материала в верхней термически упрочненной части втулки, все же появляются следы ее хрупкого разрушения.
Таким образом, представленные рекомендации и расчетные зависимости позволяют при выборе геометрических параметров промежуточной втулки обеспечить наибольшую прочность соединения при минимальном усилии сборки.
Поскольку точность изготовления элементов соединения оказывает существенное влияние на его нагрузочную способность в окружном и осевом направлениях (п. 2), были проведены экспериментальные исследования и сопоставлены полученные данные для трех видов прессовых соединений: обычные двухэлементные прессовые соединения, соединения, содержащие промежуточную втулку с градиентным и равномерным распределением механических свойств. Проведенные исследования показали, что с увеличением допуска на изготовление диаметральных размеров соединяемых деталей происходит снижение нагрузочной способности всех исследуемых типов соединения (рисунок 3.9). Однако, обычные прессовые соединения в пределах достаточно точной посадки H7/p6 изменили свою нагрузочную способность в 7 раз (например, для вала 10 мм поле допуска составляет 21 мкм), а при неблагоприятном сочетании диаметральных размеров на верхних границах посадки, натяг, а, следовательно, и нагрузочная способность соединений практически равнялись нулю (для вала диаметром 10 мм натяг составляет всего 3 мкм). При этом высота микронеровностей должна быть существенно меньше минимального натяга, чтобы обеспечить необходимую нагрузочную способность соединения.
Зависимость нагрузочной способности соединения от допуска на обработку сопрягаемых поверхностей (монтажного зазора): 1 – соединение с использованием втулки с градиентным распределением механических свойств в продольном направлении; 2 – соединение с использованием втулки с постоянными механическими свойствами; 3 – двухэлементное прессовое соединение; 4 – результаты расчетов по зависимости (3.7). Нагрузочная способность соединений при использовании промежуточной втулки, имеющей равномерное распределение механических свойств по своему объему, изменялась приблизительно в 2 раза в пределах допуска, соответствую 92 щего 14-му квалитету точности (для относительной высоты соединения H/D 2,8; диапазон допуска 14-го квалитета точности для охватываемой детали диаметром 10 мм составляет 0,36 мм.). При этом зависимость нагрузочной способности от монтажного зазора носила сложный нелинейный характер и имела высокий темп изменения от 0 и до края границ 10-го квалитета точности. Максимальная нагрузочная способность наблюдалась при наименьшем зазоре.
При использовании промежуточной втулки с градиентным распределением механических свойств вдоль оси, зависимость нагрузочной способности от монтажного зазора носила похожий характер. Вместе с тем, нагрузочная способность соединения приблизительно в 2 раза выше на всем диапазоне изменяющихся диаметров в пределах 14-го квалитета допуска.
С дальнейшим увеличением зазора происходит резкое снижение нагрузочной способности соединения, которое можно объяснить тем, что объем пространства между соединяемыми деталями начинает превышать объем материала промежуточной втулки, вследствие чего площадь контакта сопрягаемых деталей при запрессовке резко сокращается.
В ходе экспериментальных исследований определяли так же влияние шероховатости сопрягаемых поверхностей на прочность соединения. При этом эксперименты проводили только для прессовых соединений с промежуточной втулкой. В прессовых соединениях с тонкостенной охватываемой деталью шероховатость поверхности деформируемого элемента технологически обеспечивалась операциями холодной листовой штамповки в достаточно узком диапазоне Ra 0,8-1,25. Шероховатость поверхности измерялась с помощью профилографа-профилометра модели 252 (завод «Калибр») в продольном направлении образцов. Перед измерениями проводилась обязательная проверка прибора на эталонных образцах.