Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор состояния вопроса технологического обеспечения прочности профильного соединения 10
1.1. Анализ влияния свойств материалов элементов винтового соединения на его функциональное назначение 10
1.2 Способы создания профильных поверхностей 15
1.3 Сборка соединений с натягом 24
Глава 2 Теоретическое обоснование создания профильных соединений 46
2.1 Описание процесса упругапласшческиго деформировании: при формообразовании профиля на сопрягаемой поверхности охватывающего элемента 47
2.2 Ноле перемещений внутренней поверхности охватывающего элемента цилиндрического ПС 49
2.3 Технология сборки профильных подвижных соединений деформирующим протягиванием 57
Глава 3 Математическое моделировании формообразования поверхности охватывающей детали ПС 64
3.1 Моделирование процесса де формирования охватывающей детали методом конечных элементов 64
3.2 Состояние цилиндрической обоймы при внутреннем последовательном нагружсыии 65
3.3 Упругопластические деформации обоймы при формообразовании профиля 70
3.4 Упругопластические деформации охватываемого элемента ПС при сборке дорнованием 74
Тлава 4 Экспериментальные исследования формообразования профиля сопрягаемой поверхности ПС
4.1 Технология изготовления образцов 89
4.2 Изготовление инструмента и приспособления 90
4.3 Технология сборки профильного соединения деформирующим протягиванием 96
4.4 Исследование процесса накатывания профиля 97
4.4.1 Влияние геометрических параметров профиля на прочность ПС 101
Глава 5 Экспериментальные исследования прочности профильных соединений 104
5.1 Экспериментальное исследование прочности ПС 104
5.1.1 Изготовление образцов 104
5.1.2 Исследование процесса формирования профиля соединения 106
5.1.3 Исследование процесса сборки ПС 107
5.1.4 Испытания ПС осевой нагрузкой и крутящим моментом 108
5.1.5 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 113
5.2 Методика проектирования ПС 116
5.3 Методика неразрушающего контроля прочности и надежности ПС. 1 IS
5.4 Рекомендации по проектированию конструкций, технологии сборки, увеличению прочности и контролю UG 120
5.4.1 Рекомендации по проектированию консірукний ПС 120
5,4.2 Рекомендации по технологии сборки ПС 120
5,43 Рекомендации по увеличению прочности ПС 121
5.4.4 Рекомендации по контролю 121
Заключение 123
Библиография 125
Приложение
- Анализ влияния свойств материалов элементов винтового соединения на его функциональное назначение
- Ноле перемещений внутренней поверхности охватывающего элемента цилиндрического ПС
- Состояние цилиндрической обоймы при внутреннем последовательном нагружсыии
- Технология сборки профильного соединения деформирующим протягиванием
Введение к работе
Профильные подвижные и неподвижные соединения получили весьма широкое распространение особенно в последнее десятилетие. Благодаря способности противодействовать относительному смещению охватывающего и охватываемого элементов при значительном снижении материалоемкости и раз-рабатьшаемым гехнолої ичньш конструкциям, профильные неподвижные соединения в ряде случаев пришли на смсиу соединениям с натягом, у которых неподвижность обеспечивается в основном упругими свойствами материалов сопрягаемых деталей.
У лрофилыштх соединений сопротивление относительному смещению (неподвижность) обеспечивается за счет искусственно создаваемому профилю на сопрягаемых поверх но стях, благодари увеличению площади опорной поверхности и так называемому шпоночному мффекту, возникающему в сопряжении охватываемой и о хваты паю шей деталей.
Создал ив подвижных, например, винтовых соединений, возможно также применяя те же самые технологии сборки.
Отличительными особенностями при сборке винтовых подвижных соединений являются, прежде всего, свойства материалов охватываемого и охватывающего элемента, отношение их размеров и режимы деформирующего npot тягивания (лориования).
Очевидно; при сборке подвижного элемента дорнованием должны обеспечиваться гарантированные зазоры как з осевом, так и в радиальном направлениях либо благодаря правильно рассчитанным размерам деформирующих элементов инструмента, либо за счет упругопластических свойств материала охватываемого элемента, обеспечивающих необходимую усадку и, как следствие подвижность соединения.
Первые опыты, проводимые в 70-х годах прошлого столетия [14, 90, 102, 103, 104] доказали возможность обеспечения требуемой несущей способности элементов соединения, а также снижение материалоемкости при сохранении показателей надежности и долговечности изучаемых сборочных единиц, В работе [90] приведена зависимость прочности сопряжения от высоты микроне-ровностей. Доказано экспериментально, что с увеличением высоты микронеровностей сопротивление относительному смещению сопрягаемых деталей увеличивается при условии, что сборка соединения осуществляется упругопла-стическим деформированием, например, дорнованием. В работах Шнейде-раЮ.Г, приведены результаты исследований, і юсині цепные решению проблемы надежности неподвижного соединения созданием регулярного или частично регулярного микрорельефа на сопрягаемых поверхностях обеих деталей с последующей тепловой сборкой.
Значительная часть соединений с натягом выполняют функции подшипников скольжения, у которых охватываемый элемент - втулка — изготовлена, как правило, из сплавок цветных металлов (бронзы, баббиты), стоимость которых в несколько раз вьпие конструкционных сталей, В связи с этим становится актуальным уменьшение затрат, связанных с материалоемкостью неподвижных соединений. Создание профильных соединений позволяет значительно снизить затраты на дорогостоящие материалы, снижая материалоемкость соединений, обеспечивая при этом технические требования, предъявляемые к прочности, точности, несущей способности и работоспособности элементов соединения и сборочной единицы в целом.
Очевидно, для решения данной проблемы необходимо предложить такую конструкцию соединения, которая отвечала бы наряду с указанными требованиями, достаточно высокой технологичностью и производите]Іьностью процесса изготовления деталей и сборки профильного соединения. Конструкция, работающая в качестве винтового соединения, отвечающей этим требованиям, может служить соединение, на сопрягаемой поверхности охватывающей детали которой форм о образуете я профиль в виде непересекающихся впадин. Ранее выполненные исследования для неподвижных соединений по формообразованию профиля вибрационным накатыванием и накатыванием шариками впадин различной формы, с одной стороны, не позволяют получить достаточно глубо 6
кие впадины, с другой стороны, производительность формообразования не достаточно высока.
С целью повышения производительности, расширения возможности формообразования на сопрягаемых поверхностях соединений в данной работе исследуется возможность накатывания профиля роликом,
В связи с этим:
— решаются задачи определения величины деформирования при различных геометрических параметрах инструмента, применяется метод конечных разнос гей и конечных элементов;
— создаются математические модели формообразования профиля поверхности охватывающей детали;
- экспериментально исследуются процессы трансформации материала охватываемой детали и заполнения им впадин на понерхности охватываемой детали;
- экспериментально исследуется влияние геометрических параметров профиля, деформирующей части инструмента, режимов накатьшания, режимов дорповапия на способность соединения обеспечить подвижность как в осевом, так и в радиальном направлениях;
— разрабатываются рекомендации по технологии изготовления подвижного соединения, инструментальной оснастки и инструмента для формообразования профиля.
Теоретические исследования, проведены с использованием научных основ технологии машин остр оения, технологии сборки, теорий упругости и пластичности, численных методов решения задач. Моделирование и обработка данных на ЭВМ производилась в программе Sol idWorks/COSMOS Works, позволяющей определить характеристики процесса взаимодейсчкия простым вводом геометрических параметров, физико-механических свойств материалов и усилия вдавливания инструмента в приповерхностный слой охватывающей детали. Выражаю благодарность дл\н.? заведующему кафедрой БЖД Сердюку
Виталию Степановичу за полезные консультации по вопросам сборки неподвижных соединений.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана математическая модель определения величины упруго пластической деформации, обеспечивающая геометрические параметры по глубине впадин с различными значениями заполнения профиля охватывающего элемента и позволяющая создать как подвижные, так и неподвижные соединения
2. Разработана математическая модель, упру го пластической деформации охватываемого элемента ПС с использованием программного продукта Sol id Works/СО STvl OS Works, позволяющая определить характеристики процесса взаимодействия инструмента и деформируемой поверхности вюдом геометрических параметров, ф из и ко-механических свойств материалов и усилия вдавливания инструмента в приповерхностный слой охватывающей деішш.
3. Получено уравнение для определения наибольшее допустимого натяга между деформирующими элементами дорна и деформируемой поверхностью втулки emaxs обеспечивающее подвижность ПЄ
Использование результатов данной работы на производстве, в научных исследованиях и в учебном процессе позволит повысить качество исследуемых объектов, разрабатываемых технологических процессов и уровень подготовки специалистов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технологический процесс формообразования и сборки ПС.
2. Математическая модель определения величины упругоплаетической деформации при формообразовании охватывающего элемента профильного соединения (ПС) накаткой роликом.
3. Математическая модель упругоплаетической деформации охватываемого элемента ПС с использованием программного продукта SolidWorks/COSMOSWorks. 4. Конструкция инструмента, применяемого при формообразовании профиля внутренней поверхности обоймы.
5. Конструкция инструмента — дорна — с соответствующим количеством и геометрическими характеристиками деформирующих элементов.
Практическая ценность работы.
1. Разработан метод создания профильного соединения с формообразованием поверхности охватывающего элемента и сборкой упруго-пластическим де-ф орм ироьан нем
2. Разработаны технология формообразования профиля ПС и конструкция инструмента.
3. Разработаны технологический процесс сборки дорнованием и конструкция и и с ipy мента (дорна).
Реализация результатов работы заключается в следующем. Разработанная конструкция профильного соединения, технология его изготовления и сборки внедрены при изготовлении и ремонте авиационных агрегатов. Результаты исследования внедрены в учебном процессе при изучении курсов «Технология машиностроения» и «Математическое моделирование технологических процессов» на кафелре «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 151001 «Технология машиностроения» и 151002 «Металлорежущие станки и комплексы» Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы университета. Работа ш.іполнялась в соответствии с Аналитической ведомственной целевок программой «Развития научного потенциала ныешей школы (2006 - 2008гг.)", по проекту "Рабочие процессы поршневых нневмодвигателей и ппевмодвигателькомпрессорных агрегатов". (Государственная регистрация № 01200612738; руководитель - Калекин B.C.).
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической коыферепции «Повышение качества продукции и эффективность производства» (г.Куріан, март 2006, вестник Курганскою университета, чЛу лып.2), на ГТТ Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушаюшнй контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (г.Тюмень, 2005); на Ш международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технология двойного применения» (г.Омск, 7-10 июня 2005, ч.1); на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых исследователей «Теоретические знания в практические дела» {Омск, 2008, ч.З); па расширенном заседании кафедры Технология машиностроения" ГОУ ВГІО "Омский государственный технический университет 3; на семинаре кафедр ОмГТУ «Металлорежущие станки и инструменты» и Технология машиностроения".
Анализ влияния свойств материалов элементов винтового соединения на его функциональное назначение
Относительная неподвижность деталей соединений с натягом обеспечивается тем, что внутренний диаметр охватывающей детали меньше наружного диаметра охватываемой детали. Напряжения, возникающие на контактных поверхностях сопрягаемых деталей, противодействуют осевым сдвигающим усилиям и крутящим моментам.
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования прочности неподвижных соединений показали, что в общем случае прочность определяется величиной контактного давления, плошадью контакта сопрягаемых поверхностей и физико-механическим и свойствами материалов, из которых изготовлены сопрягаемые детали [12, 16, 23, 25, 45, 49, 54, 55, 57, 63, 71, 96, 52 и др.].
Прочность сопряжения определяется, в первую очередь, прочностью самих деталей. В литературе предлагаются следующие методы повышения прочности соединений с натягом.
Создание между сопрягаемыми поверхностями дополнительной среды. В работах [17, IS, 22, 54, SI] в качестве дополнительной среды предлагаются гальванические покрытия, оксидные пленки, азотированный слой, слой абразивного порошка. Использование дополнительной среды, по мнению авторов, ведет к увеличению сил трения в результате возникновения металлических связей в зоне контакта, а также к увеличению фактической площади контакта сопрягаемых поверхностей вследствие внедрения более твердых микровыступов более твердой поверхности в мелсе твердую, изготовленную из более мягкого материала.
При применении абразивного порошка [17, 18] ішсдрепис более крупных фракций последнего увеличивает фактическую площадь контакта, следствием чего является повышение прочности соединения. Но равномерное распределение лорошка но поверхности труднодостижимо, что ведет в неравномерному распределению сил в соединении.
Недостатками указанных методов являются наличие дополнительной операции, а также необходимость чсиловой сборки, что вызвано возможностью нарушения целостности покрытия при механическом способе сборки.
Применение упрочняющей обработки, В работах [14, 25, 31, 50,74. 77, 82, 84, 90, 101] авторы предлагают с целью увеличения площади опорной поверхности, а также с целью создания упрочненного поверхностного слоя, сопрягаемые поиерхности на финишных операциях подвергать упрочняющей обработке (обкатывание шариками, роликами и пр.). Поверхностное упрочнение позволяет увеличить натяг в соединении за счет увеличения контактной жесткости, уменьшения текучести и вязкости материала, В своей работе [25] авторы отмечают, что тепловая сборка после обкатки обеспечивает приспособляемость .микрогеометр л и поверхностей сопрягаемых деталей, т. с, затекание металла одной детали во впадины другой, что приводит к значительному увеличению площади опорной поверхности и деформационной составляющей коэффициента трений. Однако обработка при небольших усилиях обкатывания незначительно влияет на прочность, а при больших усилиях получаемые отклонения формы детали не могут быть полностью компенсированы процессом приспособляемости.
Модифицированное соединение с натягом, позволяющее повысить нагрузочную способность и сдвигоустойчивость сопрягаемых деталей, предложено в [92]. Для формирования требуемых свойств поверхностного слоя алторы используют обработку поверхности контакта концентрированными потоками энергии в виде лазерного излучения, применяемую в качестве упрочняющей обработки.
При выполнении на контактирующих поверхностях вала и втулки дорожек лазерной закалки в зонах лазерного влияния образуется мелкодисперсный мартенсит, обладающий по сравнению со структурой исходного материала большей твердостью и большим удельным объемом, в результате чего в зонах лазерного влияния образуются выступы 3 и 4 из материала самих деталей. При сборке соединений с натягом выступы образуют сцепление, что при приложении крутящего момента Мкр к валу обеспечивает повышение нагрузочной способности и сдвигоустойчивости стыка.
Сборка деталей в таком соединении проводится тепловым способом; втулка нагревается в индукционной печи до 200 С. Совмещение дорожек лазерной закалки вала с необработанными участками втулки визуально контролируется при помощи рисок, оставленных резцом на торцовых поверхностях деталей при разметке. Образцы в собранном виде подвергаются естественному старению в течение трех месяцев.
Экспериментальные данные показали, что лазерная закалка способствует повышению нагрузочной способности и сдвигоустойчивости соединений с на 13 тягом, что может найти применение в узлах машин и технологическом оборудовании, эксплуатирующихся в тяжелом режиме.
Дорпование отверстий прессовых соединений [5и\ 64, 70, 85, 86, 87, 91, 94]. Перспективным решением задачи повышения прочности прессовых соединений является предварительная упрочняю ще с-калибрующая обработка охватывающей детали дорнованисм. Дорпование — эффективный метод повышения упругой несущей способности охватывающей детали, позволяющий при сборке продольной запрессовкой расширять целесообразный диапазон натяга сопрягаемых деталей. Благодаря возможности дополнительного повышения точности геометрической формы отверстий при варьировании контактного трения в процессе дорнования, увеличивается контурная площадь контакта в соединениях с натягом [94].
В прессовых соединениях предельный натяг запрессовки, как правило, лимитирует охватывающая деталь. Дорнование ее посадочного отверстия сопровождается упрочнением материала поверхностного слоя, в результате чего увеличиваются показатели сопротивление пластическому деформированию и при последующей запрессовке появляется возможность повышать предельный натяг.
Исследования покачали, что у соединений с необработанной дорнованием охватывающей деталью при увеличении натяга запрессовки рост распрессовоч-ных си і менее интенсивен по сравнению с соединениями, у которых охватывающая деталь предварительно подвергнута упрочняющей обработке дорнованием. Причем, если при малых натягах запрессовки расхождение в раепрессо-вочных силах незначительно, с увеличение натяга оно возрастает более чем в 2 раза.
Термообработка перед сборкой. Авторы работы [6j предлагают для повышения прочности неподвижного соединения подвергать детали термообработке при температуре 0,35-0,4 от температуры плавления с выдержкой в течение 80-200 часов. При этом происходит релаксация напряжений, что ведет к увеличению натяга соединения. Недостатком этого способа являются большее дополнительные энергетические и временные затрать Нанесение микро- и макрорельефа па сопрягаемые поверхности. Микро и макрорельеф наносится различными способами: - нанесение рельефа капельно-адгезионнойтехнологией; - нанесение микрошлицев и канавок на поверхности отверстия корпуса [13,9,38,78,100]; - увеличение площади опорной поверхности сопрягаемых элементов путем создания профильных соединений с упорядоченным микро- и макрорельефом сопрягаемых поверхностей [26, 36, 48, 63, 104].
В работах [12, 13] предлагается повышать прочность неподвижных соединений созданием профиля на одной из сопрягаемых поверхностей электромеханическим способом. Особенностью такого соединения янлястея то? что сопряжение происходит по вершинам профиля, при этом под действием сил (натяга) в ох ваты шю где и детали возникает деформация, на величину которой материал проникасі. во впадины, а при нагрузке создает силу Р1Ш связанную с гго-явлением шпоночного эффекта. Эта сила зависит от площади сминаемой поверхности и физико-механических свойств материала сопрягаемых элементов. За счет этой силы компенсируется потеря прочности вследствие уменьшения плошали контакта сопрягаемых поверхностей, вызванного отсутствием контакта между сопрягаемыми поверхностями по впадинам профиля. Высокое сопротивление усталости и повышение контактной прочности слоев обеспечивается термомеханическим упрочнением детали.
Ноле перемещений внутренней поверхности охватывающего элемента цилиндрического ПС
Охватывающий элемент может представлять собой полый цилиндр, корпус с отверстием, поверхность которого подвергается силовому воздействию инструмента (ролика). Рассмотрим случай, когда упругопластическая деформация появляется в результате этого воздействия при условии, что главный вектор напряжений направлен по радиусу. Решение задачи будем искать в цилиндрической системе координат. Выделим в обойме элемент поверхности (рис. 2Л) и будем рассматривай изменение его состояния в процессе деформирования На выделенный элемент нанесем пространственную сетку плоскостями, перпендикулярными. ОСИ1 Z, и отстоящими друг от друга на величину Az, плоскостями, проходящими через ось 2, наклоненными друг относительно друга на угол Д р, и концентрическими окружностями, расстояние между которыми по радиусу равно Дг, Точки пересечения указанных поверхностей обозначим о, а, б, в, г, д, е.
В связи с тем, что функция перемещения в рассматриваемом элементе не имеет разрыва, ее значение в произвольной точке сетки будет определяться значением перемещения в соседних точках. Так перемещение и гонке о будет определяться его значением в точках а и в, расположенных в радиальном направлении; в точках 6 и г, расположенных в тангенциальном направлении; в точках д и е, расположенных в осевом направлении.
Формула (2,24) является основной при определении поля деформаций поверхности обоймы методом численного интегрирования.
Пользуясь формулой (2.24), зная значение функции в точке о и окружающих ее точках в определенный момент т можно найти значение деформации (перемещения) точки о в последующий момент контактного взаимодействия инструмента (ролика) и деформируемой поверхности. Вычисляя последовательно значения деформаций (перемещений) различных точек для различных моментов времени, можно найти поле деформаций поверхности.
Формула (2.24) позволяет определить значение деформации в произвольный момент времени в любой точке поверхности.
Первый член правой части формулы (2.24) учитывает значение функции в искомой точке и се влияние на последующие значения перемещения, второй и третий члены учитывают динамику нагрузки в радиальном направлении, четвертый и пятый члены - соответственно влияние потока напряжений в тангенциальном и осевом направлениях на величину деформации.
Если поток напряжений в каком-либо направлении отсутствует, то и формуле (2.24) исчезает соответствующий член в правой части. Расчет поля деформации по формуле (2.24) легко осуществляется с помощью ЭВМ. Формула (2.24) может быть упрощена с учетом специфики распространения или распределения нагрузки на внутренней поверхности обоймы. В процессе формообразования деформирование охватывающего элемента может осущсствлятьея при движении инструмента в осевом направлении с вращением его вокруг своей оси, которая параллельна оси цилиндра. Таким образом, расчеты деформаций (перемещений) в цилиндрической системе координат усложняются большим числом расчетных формул дли определения «внутренних» Т 0 ІЄК.
Полученные расчетные зависимости для определения перемещений точек являются алгоритмом решения задачи на ЭВМ.
Расчетная схема и сам расчет значительно упрощаются, если пользоваться не общей расчетной формулой (2.24), а частной зависимостью (2.29).
При расчете процесса деформирования методом численного интегрирования рельеф формообразующей поверхности охватывающего элемента считаем известным. В этом случае кроме зависимости и(г/,(/ }г,т)= f(r) необходимо иметь зависимости иф и00 а№ а0, аоь если указанные величины перемещены во времени.
Применение деформирующего протягивания при получении профильных неподвижных соединений с заданным макрорельефом и обычных "гладких" соединений с натягом позволяет изготовлять детали соединения с меньшей точностью и высокой производительностью. Наличие отклонений формы охватывающей детали соединения при контактном взаимодействии с охватываемой деталью увеличивает площадь опорной поверхности, соответственно увеличивается сила трения в контакте и прочность неподвижного соединения Разработка профильных неподвижных неразъемных соединений (I1MHC) и технологическое обеспечение их прочности, потребовавшие значительных теоретических и экспериментальных исследований па образцах, конструкция которых идентична конструкции подшипников скольжения, позволили сделать вывод о том, что неподвижность соединения обеспечивается в том числе мак-род искретностью профиля, создаваемого на внутренней поверхности охватывающей детали соединения (обоймы или корпуса узла).
Формообразование профиля осуществляли известными технологическими методами — нарезанием или накатыванием с изменением диаметра внутренней поверхности обоймы и сторону уменьшения при накатывании или без изменения при нарезании (рис, 2.2), Последующая операция — деформирующее протягивание (дорнование) — обеспечивала заполнение впадин профиля и микровпадин микрорельефа поверхности в результате упруго-пластического деформирования охватываемой детали (втулки), таким образом обеспечивая неподвижность элементов соединения в определенных пределах.
Цель данной работы — получение подвижного профильного соединения на основе результатов исследований, проведенных при разработке и обеспечении прочности ПННС с винтовым профилем.
Одна из основных задач — изучение возможности гарантированной относительной подвижности охватываемой и охшпывающей деталей при выполнении тех же технологических операций, что и при получении ПННС.
При создании профильного подножного, например винтоиого соединения (ПГШС), с помощью деформирующего протягивания (дорнования, прошивания) наличие отклонений формы не способствует стабильному относительному перемещению деталей ППВС. Отклонения формы, распределяясь но сопрягаемой поверхности как закономерно, тлк. и случайно, создают участки с максимальным контактным давлением и противодействуют относительному перемещению в тангенциальном направлении деталей ППВС. В результате относи-тельное вращение деталей может быть неравномерным и затрудняется при возникновении макро- и микр од искр етн остей контакта. При неоднородном характере распределения контактных напряжений и деформаций происходит интенсификация плюса сопрягаемых поверхностей соединения Деформирующее протягивание в осевом направлении может осуществляться с различными скоростью и качеством деформирующих элементов, а также натягом дорповання. В связи с этим заполнение впадин профиля обоймы материалом втулки осуществляется не всегда одинаково (рис. 2.3). Поэтому требуется дополнительное исследование влияния коэффициента заполнения К3„ профиля на работоспособность ППВС.
Очевидно, сопротивление осевому относительному перемещению будет максимальным уже при KJ/t=\, где K -SQU/SK (Son, SK — площади опорной и контурной поверхностей соответственно), В то же время с целью минимизации сопротивления тангенциального относительного перемещения деталей ППВС необходимо определить требуемое значение Кзп.
В данном случае не учитывают параметры микрорельефа и субмикрорельефа, считая их влияние па работоспособность ППВС значительно меньшим, чем геометрических параметров профиля.
Состояние цилиндрической обоймы при внутреннем последовательном нагружсыии
Величины деформаций при. накатывании профиля измеряются в зависимости от размеров обрабатываемой детали, механических свойств ее материала, давления инструмента на поверхность, геометрических параметров ролика сил трения ролика о металл и механических свойств материала ролика. Схема деформирования достаточно.сложная в связи с тем, что при локальном контакте ролика с поверхностью отверстия в-разных сечениях, перпендикулярных оси, возникает проскальзывание идоль нее.
Объектом исследования принята обойма, изготовленная из стали 45, с известными свойствами материала, широко применяемого в машиностроении. Определение зависимости деформаций от натяга накатывания про иод и л ось по следующей схеме нагружения: в момент соприкоспоиспия рабочей поверхности ролика с обоймой, т,е. до начала деформации, сила трения FTI. и сила реакции Ь р равны нулю (рис, 3,1). Задаваясь некоторой величиной радиального перемещения aoii соответствующей половине величины натяга, определяем значение составляющей силы реакции FPi действующей по нормали к оси, по которой определяется составляющая силы трения F pi на поверхностях инструмента и детали по формуле FTPl = -j.t FPb где р - коэффициент трения ролика по поверхности обоймы. Сила реакции Fp, определяется по заданной величине перемещения ufli рассматриваемой области обоймы численным методом, после чего расчет повторяется с учетом Frp,-. При этом определяется усилие накатывания и максимальное значение величины нагяга при накатывании, соответствующее упругой деформации обоймы на одном переходе. Исследования проводились с использованием метода конечных элементов [15], Исследуемая область - продольное сечение обоймы, разбиваемое на тороидальные конечные элементы с определенной дискретизацией .
В процессе накатывания обойма закрепляется в трехкулачковом патроне, опираясь одним из торцов на жесткую н еде формируемую опору. При этом осе-иая сила, действующая со стороны опоры, равна но величине силе трепня FTPl-.
Деформирующий элемент (ролик) стремится перемещать внутреннюю поверхность обоймы в радиальном направлении па величину половины натяга. По предлагаемой схеме обойма разбита на треугольные тороидальные элемента в узлах которых определяется сила реакции FPl, по величине которой определяется сила трения FTP» равная силе, возникающей от натяга при деформировании в данной точке. Сила трения Fm и сила реакции FPi являются результирующими сил распределенных по длине окружности 1-го узла, т.е. FP!=2 rR, Frpr2nrZ, где г - радиус окружности, R - радиальная составляющая силы трения на единицу длины окружности /-го узла, Z - осевая составляющая силы реакции.
За исходное значение величины натяга и минимальное принимается удвоенное значение высоты микронеровноетей деформируемой поверхности. При эюм пластические деформации в приповерхностном слое считаем достаточно малыми, чтобы ими можно было пренебречь. Отклонения формы не учитываются. Из условия Треска - Сен-Венана [95] а &т(/х-&і і п следует, что напряжения, возникающие в обойме, позволяют определить максимальное значение патяга, при котором деформирование обоймы происходит в пределах зоны упругости.
В процессе накатывания по мере движения ролика к опорному торцу окружные напряжения изменяются по величине и по знаку от максимальных сжимающих с противоположного торца до максимальных растягивающих. В положении ролика в средней часі и обоймы окружные напряжения имеют положительные значения по всему сечению обоймы. Главные напряжения плоскости продольного сечения обоймы не превышают максимальных значений окружных напряжений.
Анализ результатов численных исследований показал, что усилие деформирования принимает максимальное значение в средней части обоймы. Предложенная методика исследований напряжеш ю-де формирован ного состояния методом конечных элементов цилиндрической обоймы при внутреннем последовательном нагружении деформирующим элементом (роликом) в области упругих деформаций позволяет с достаточной степенью точности определить требуемую величину натяга, величину подачи, изменение форы обоймы и значения напряжений и деформаций в любой рассматриваемой точке обоймы.
Одним из наиболее производительных методов формообразования профиля сопрягаемой поверхности обоймы с целью последующей сборки дорнова-нием, на наш взгляд, является накатывание роликом. Многочисленные исследования [675 68, 70] показали, что для абсолютного большинства металлов характерны уиругошшстические деформации. Максимальных значений пластические деформации достигают в месте касания инструмента с обрабатываемой повсрхЕїостью и постепенно уменьшаются мо море удаления от поверхности, В процессе накатывания упруюпласшчеекие деформации реализуются но мере воздействии деформирую] це го элемента ІЇ зависимости от глубины идаплишшїім ролика, его геометрических параметров и диаметра обоймы. Закономерность изменения деформаций можно проследить, решая упругопластическую задачу методом конечных элементов [15],
Исследуемой областью принято продольное сечение обоймы, которое разбивается на конечные элементы с определенной дискретизацией [69], Граничные условия и последовательность шагов при расчете упруго пластических деформаций следующие.
Технология сборки профильного соединения деформирующим протягиванием
Сборочные единицы, у которых охватываемая деталь выполнена в виде кольца (втулки), упругих свойств которой недостаточно для обеспечения прочности неразъемных соединений при сборке традиционными способами, целесообразно получать методом упруго пластического деформирования (дорновани-см) (рис, 4.10). Указанный метод является одним из распространенных при сборке неподвижных соединений, в которых пластичность одного из элементов значительно превышает пластичность другого. Охватывающий элемент соеди-нения (обойма), имеющий требуемый рельеф на поверхности отверстия, с ье-большим зазором или по переходной посадке устанавливается на бронзовую втулку (охватываемый элемент). После предварительной сборки элементам соединения придают необходимое осевое взаимное положение, затем дорнуют. При дорнованни отверстия пластическое течение металла происходи! в направлении подачи, при этом волна деформированного материала заполняет впадины рельефа охватывающего элемента, а на цилиндрических учасі ках профиля создает натяг.
При проходе инструмента (дорна) через отверстие его конические элементы пластически деформируют внутреннюю поверхность и стенки детали, увеличивают диаметр отверстия, исправляют неточности, выглаживают и упрочняют поверхность отверстия, что повышает прочность соединения. Высокая прочность таких соединений объясняется еще и тем, что при упругопластиче-ских деформациях повышается коэффициент сцепления (коэффициент фения) между деталями соединения. Работы, посвященные сборке пластическим деформированием, а так же исследования, проводимые много лет на кафедре "
Очевидно, что для более долговечного и качественного функционирования профильного соединения необходимо, чтобы величина kjfi стремилась к единице. На практике добиться этого весьма сложно.
При сборке пластическим деформированием впадины стальной обоймы заполняются материалом втулки, выполненной из бронзы. При этом заполнение профиля зависит от натяга дорнования. Для изучения этой зависимости исследованию подвергались образцы, имеющие профиль в виде винтовых канавок. Натяг при сборке дорнованием изменялся в пределах от 0,05 до 2 мм. После сборки образцы разрезались и проводился качественный анализ заполнения профиля с помошью методов оптической и растровой электронной микроскопии.
Для определения коэффициента заполнения макрорельефа охватывающего элемента (hjij) и определения закономерностей его изменения необходимо вычислить площадь опорной поверхности (Son), или площадь соприкосновения охваты паю ще го и охватываемого элемента.
При наличии погрешности формы сопрягаемых деталей последняя при прочих равных условиях является фактором, определяющим величину опорной площади соприкосновения, а также прочность и надежность ПС. Для определения наличия наследования отклонений формы, возникающих в результате обработки охватывающей детали проводились измерения поперечных и продольных отклонений до и после сборки дорнованием в пяти сечениях вдоль оси и через каждые 30 градусов окружности. На рис. 4.14-показаны круглограммы до деформирующего протягивания и после него. В таблицах приведены отклонении формы также до и после сборки.
При наличии отклонений формы заполнение профиля обоймы неравномерно и соответственно кзп тоже будет величиной переменной за счет усадки втулки. Накатывание профиля позволяет с некоторым приближением обеспечить постоянство геометрических параметров, по не дает возможности устранить отклонения формы с достаточной экономической целесообразностью.
Совместное действие осевой силы Р и крутящего момента MR при определенном соотношении параметров рельефа сопрягаемых поверхностей свойств материалов охватывающей и охватываемой детали может привести к раскрытию стыка (рнс. 4.15). В связи с этим при формообразовании профиля коэффициент заполнения профиля кзп, даже при его максимальном значении, т, е. равном единице, не может являться единственным критерием относительной неподвижности охватывающей и охватываемой детали. Очевидно, паибольвіее влияние на относительную неподвижность будут оказывать форма впадин профиля и их взаимное расположение.
Способность сопротивляться относительному смещению сопрягаемых деталей существенно зависит от площади опорлок поверхности, являющейся интегральной характеристикой. Величина площади опорной поверхности, свою очередь, определяется физико-механическими свойствами материала деталей, макро- и микрорельефом поверхностей и силами, возникающими в сопряжении. Площадь опорной поверхности можно увеличить, с одной стороны, за счет уменьшения параметров микрорельефа и отклонений формы, С другой стороны, при значительном огличии пластических свойств материалов сопрягаемых элементов, площадь опорной поверхности увеличивается путем увеличения параметров микрорельефа и отклонений формы,
В нашем случае детали соединения значке л ьно отличаются но своим физико-механическим свойствам (сталь и брота). Поэтому увеличение площади опорной поверхности достигается за счет создания профиля на сопрягаемой поверхности охватывающей детали с последую 11 птм дорнованием отверстии бронзовой втулки. Высота профиля и шаг его винтовых канавок являются основными геометрическими характеристиками предлагаемого ггада профиля. Экспериментальные исследования были направлены на определение плияния геометрических параметров профиля и технологических параметров сборки неподвижных соединений на усилие распрессовки.
Исследование влияния глубины накатывания и шага винтовой линии на прочностные характеристики проводилось на винтовом механическом прессе модели ДМ 30 с использованием специальной технологической оснастки. Изменение усилия в процессе распрессовки регистрировалось на графопостроите ле в масштабе по оси X 1x50 мм, по оси У - 1x100 мм. По оси откладывалось относительное смещение деталей, по оси У- усилие распрессовки.
