WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ПРОКОФЬЕВ Александр Николаевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ
КАЧЕСТВА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Брянск - 2008

       Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» учебно-научного технологического института государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет»

Научный консультант                        доктор технических наук, профессор

                                               СУСЛОВ Анатолий Григорьевич

Официальные оппоненты:                доктор технических наук, профессор

ВОРОНЕНКО Владимир Павлович,

                                               доктор технических наук, профессор

СУЛТАН-ЗАДЕ Назим Музаффарович

                                               доктор технических наук, профессор

ЯМНИКОВ Александр Сергеевич

Ведущая организация                        Воронежский механический завод

Защита диссертации состоится 01 июля 2008г.  в 14 часов в учебном корпусе №1, ауд.59 на заседании диссертационного совета Д212.021.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» по адресу: 241035, г.Брянск, бульвар имени 50-летия Октября,7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет».

Автореферат разослан «____»_______________2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор                         А.В.ХАНДОЖКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации приведены теоретические и экспериментальные исследования по решению научной проблемы технологического обеспечения и повышения качества резьбовых соединений исходя из их функционального назначения.

Актуальность проблемы. Одной из основных задач машиностроения на современном этапе, наряду с обеспечением высокого технического уровня, является повышение качества машин и механизмов, что в свою очередь определяет рентабельность их эксплуатации, затраты материальных и трудовых ресурсов на выпуск новых изделий, а во многих случаях и безопасность их эксплуатации. Надежную работу изделия в целом во многом определяет качество резьбовых соединений, которые имеют чрезвычайно широкое применение в различных изделиях машиностроения и составляют 15-20% от общего количества  соединений в современных машинах, а в некоторых отраслях промышленности их доля доходит до 70% всех механических соединений.

С помощью резьбы получают неподвижные соединения, обеспечивающие точную фиксацию относительного положения деталей, и подвижные, предназначенные для преобразования вращательного движения в поступательное или для создания значительных осевых усилий. К показателям качества резьбовых соединений относятся: статическая прочность, усталостная прочность, стопорящие свойства и их стабильность – для неподвижных резьбовых соединений; износостойкость – для подвижных резьбовых соединений. Обеспечение вышеуказанных показателей качества в настоящее время осуществляется в большинстве случаев посредством конструкторских методов. Это в свою очередь приводит, как правило, к усложнению конструкции соединения; повышению себестоимости, размеров и массы соединения. В некоторых случаях конструктивными методами решить задачу повышения качества невозможно.

       Вышеуказанные качественные показатели неподвижных и подвижных резьбовых соединений в значительной степени определяются точностью соединения, параметрами качества поверхностных слоев сопрягаемых резьбовых деталей (характеристики отклонений формы, шероховатости, физико-механические свойства), формируемые на стадии изготовления резьбы и ее сборки. Обеспечение этих параметров при изготовлении зависит как от свойств материала, так и от ряда технологических факторов, таких как метод и схема формообразования и сборки, конструкция и геометрия инструмента, режимы обработки. Таким образом, возникает необходимость в разработке технологии получения резьбовых деталей, позволяющей стабильно обеспечивать комплекс параметров качества поверхностного слоя витков резьбы, исходя из функционального назначения резьбового соединения. Улучшение качественных показателей неподвижных и подвижных резьбовых соединений сдерживается в настоящее время отсутствием научно-обоснованных методик расчета их эксплуатационных свойств, выбора и  нормирования параметров качества рабочих поверхностей резьб, а также методов и режимов обработки и сборки резьбовых соединений. В этой связи, безусловно, актуальными являются исследования, направленные на решение задач по технологическому обеспечению качества резьбовых соединений на основе выбора рациональных способов обработки (в большей степени это касается внутренних резьбовых поверхностей) и сборки резьбовых соединений исходя из их функционального назначения.

Цель и задачи работы.

Цель работы - обеспечение и повышение качества резьбовых соединений на основе технологического обеспечения и  повышения качества рабочих поверхностей резьб и эксплуатационных свойств, определяющих их надежность при обработке и сборке.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

  1. Установить взаимосвязь эксплуатационных свойств резьбовых соединений, определяющих их надежность и долговечность, с параметрами точности резьб и качества их рабочих поверхностей.
  2. Разработать теоретические  положения по обеспечению и повышению качества  неподвижных резьбовых соединений на основе технологического обеспечения прочности соединения.
  3. Разработать теоретические положения по обеспечению и повышению качества подвижных резьбовых соединений трения скольжения на основе технологического обеспечения износостойкости соединения.
  4. Разработать методику расчета точности обработки резьбы, позволяющую на стадии технологической подготовки производства выбрать метода получения резьбы и требования к состоянию технологической системы.
  5. Разработать методологию выбора методов и определения режимов обработки резьб, обеспечивающих их качество с наименьшей технологической себестоимостью.
  6. Разработать технологические методы и инструменты, повышающие качество резьбовых соединений.
  7. Провести испытания эксплуатационных свойств резьбовых соединений.
  8. Разработать рекомендации по использованию результатов исследований и реализовать отдельные их положения.

Методология проведения исследований. Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию взаимосвязи эксплуатационных свойств резьбовых соединений с параметрами качества поверхности и точностью резьбы, обеспечиваемыми различными методами и условиями изготовления резьбы и сборки соединений. Теоретические исследования базируются на математическом описании взаимосвязи эксплуатационных свойств резьбовых соединений с параметрами качества их рабочих поверхностей  и технологией их изготовления и сборки, а также на единстве технологических процессов изготовления и эксплуатации.

       Научная новизна работы.

1.Получены теоретические уравнения по расчету эксплуатационных свойств резьбовых соединений, учитывающие качественные параметры резьб. Их анализ позволил установить параметры качества резьб, определяющих их долговечность.

2.Установлено условие равнопрочности резьбовых соединений и предложены условия обработки, обеспечивающие эту равнопрочность.

3.Получены теоретические уравнения, позволяющие рассчитывать погрешность обработки внутренних резьб.

4.Разработаны новые комбинированные инструменты (получен патент), позволяющие повысить качество обработки резьб в труднообрабатываемых материалах.

5.На условии рассмотрения единства процессов изготовления и эксплуатации резьбовых соединений разработана технология гладкорезьбовых соединений, обеспечивающая повышение надежности соединений шпилька-корпус из алюминиевых и магниевых сплавов и возможность автоматизации процесса сборки.

       Автор защищает следующие основные положения:

1.Решение научной проблемы технологического обеспечения и повышения качества резьбовых соединений, заключающейся в выборе технологических методов и определении условий изготовления исходя из функционального назначения, и в разработке новых комбинированных инструментов, применении электромеханической обработки, создании гладкорезьбовых соединений, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств резьбовых соединений.

2.Установленные качественные параметры резьб, определяющие их эксплуатационные свойства.

3.Теоретические уравнения для расчета погрешности обработки внутренних резьб.

4.Установленные возможности технологических методов и условий обработки в обеспечении качественных параметров резьб.

5.Разработанные новые конструкции инструментов для обработки внутренних резьб в труднообрабатываемых материалах.

6.Установленную возможность применения ЭМО для обработки наружных трапецеидальных резьб.

7.Технологию гладкорезьбовых соединений.

Практическая ценность работы.

  1. Технология обработки и конструкция комбинированных метчиков с винтовым затылованием по профилю резьбы (из быстрорежущей стали и оснащенных твердосплавными пластинками) для резьб М6…М36 в материалах средней пластичности. Конструктивные и геометрические особенности инструмента позволяют получить на калибрующей части бочкообразную форму зуба, что исключает подрезание профиля калибрующими витками, способствует уменьшению шероховатости по боковым сторонам профиля, и обеспечивают получение шероховатости резьбы Ra до 1,25мкм и точность 4Н.
  2. Технология обработки и конструкция комбинированных метчиков-протяжек для резьб диаметром свыше 40мм с крупным шагом в различных материалах при обработке их на универсальных токарных станках в условиях мелкосерийного и серийного производства. Благодаря наличию в конструкции режущей и режуще-деформирующей секций таким метчиком-протяжкой можно получать резьбу точностью 4Н и шероховатостью Ra=0,5…0,8мкм.
  3. Технология обработки и конструкция круглых многониточных резцов для резьб диаметром свыше 24мм в различных материалах при обработке их на токарных станках с ЧПУ в условиях серийного производства. Резец обеспечивает комбинированную схему резания, позволяющую производить обработку за 3-4 рабочих хода, при этом обеспечивается стабильная точность по среднему диаметру в пределах 0,01…0,02мм, шероховатость боковых сторон профиля Ra до 1,25мкм.
  4. Технология и конструкция одинарных комбинированных метчиков для резьб М6…М36 с шагом до 2,5мм в корпусах из алюминиевых и магниевых сплавов для серийного и массового производства при обработке на агрегатных станках и сверлильных станках с ЧПУ. Наличие в конструкции метчика режущих и деформирующих зубьев позволяет стабильно получать резьбу точностью 4Н и шероховатостью Ra до 0,32мкм.
  5. Технология и конструкция комплектных комбинированных метчиков из двух штук для резьб диаметром 24…52мм с шагом более 2,5мм в различных материалах средней и низкой пластичности при обработке на многоцелевых станках с ЧПУ, универсальных сверлильных станках.
  6. Технология и технологическое оснащение для электромеханической обработки витков наружной резьбы пары винт-гайка на токарных станках, позволяющую после формирования винтовой поверхности резанием исключить чистовые операции механической обработки и термическую обработку, в связи с чем снизить себестоимость изготовления, повысить производительность и качество резьбы.
  7. Технология и технологическое оснащение для сборки гладкорезьбовых соединений в корпусных деталях из алюминиевых и магниевых сплавов на универсальных сверлильных станках и станках с ЧПУ, обеспечивающие высокие и стабильные  стопорящие свойства резьбовых соединений, повышение производительности и снижение себестоимости сборки, возможность автоматизации процесса сборки соединения.
  8. Стандарты предприятия на раскатники, круглые многониточные резцы и комбинированные инструменты для получения внутренних резьб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных, Всероссийских и региональных научно-технических и научно-практических конференциях: «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Донецк, Украина, 1999); «Актуальные проблемы повышения качества машиностроительной продукции» (Владимир, 1999); «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» (Москва, 1999); «Новые идеи, технологии, проекты и инновации» (Брянск, 1999); «Технология-2000» (Орел, 2000); «Качество машин» (Брянск, 2001); «Теоретические и технологическое основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения» (Новополоцк, Беларусь, 2001); «Технологические системы в машиностроении» (Тула, 2002); «Практика и перспективы партнерства в сфере высшей школы» (Таганрог, 2004); на научно-технических конференция БГТУ (Брянск, 1994-2007); выездном заседании Головного Совета «Машиностроение» под председательством академика РАН Колесникова К.С. (Брянск, 2000); технологических секциях ТГУ (Тула, 2007) и БГТУ (Брянск, 2008).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 162 наименований и приложений. Общий объем диссертации 392 страницы, в том числе 59 рисунков, 29 таблиц и 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы технологического обеспечения и повышения качества резьбовых соединений исходя из их функционального назначения. Дана краткая характеристика направления работы, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы и основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проанализировано современное состояние проблемы технологического обеспечения и повышения качества резьбовых соединений по трем научным направлениям:

  • технологическое обеспечение качества деталей машин и соединений;
  • технологические методы изготовления и сборки резьбовых соединений;
  • обеспечение и повышение качества резьбовых соединений.

Исследования  технологического обеспечения качества деталей машин приведены в работах Э.В.Рыжова, А.М.Сулимы, Л.А.Хворостухина, А.Г.Суслова, Д.Д.Папшева,  В.Ф.Безъязычного, А.М.Дальского, Д.Г.Евсеева, А.Н.Овсеенко, Н.М.Султан-Заде, А.Г.Бойцова, В.А.Смоленцева, Н.Д.Кузнецова, О.А.Горленко, А.С.Васильева, В.И.Аверченкова,  В.П.Федорова и ряда других авторов, однако вопросы технологического обеспечения качества резьбовых соединений в них рассматриваются в незначительной степени.

Большой объем исследований посвящен вопросам технологии изготовления резьб – работы Древаля А.Е., Кузнецова В.П., Ланщикова А.В., Никифорова А.Д., Матвеева В.В., Меньшакова В.М., Петрикова В.Г., Ставрова В.А., Стешкова А.Е., Фрумина Ю.Л., Якухина В.Г., Ямникова А.С.  и сборки резьбовых соединений – Гельфанда М.Л., Иосилевича Г.Б., Замятина В.А., Вороненко В.П, Гусева А.А., Новикова  М.П., Корсакова В.С. и ряда других, в которых, как правило, не увязываются методы обработки и сборки с эксплуатационными свойствами резьбовых соединений.

Вопросам обеспечения и повышения качества  резьбовых соединений посвящены работы Н.Е.Жуковского, И.А.Биргера, Г.Б.Иосилевича, А.И.Якушева, Д.Н.Решетова, З.Х.Мустаева, Р.Р.Мавлютова, Д.В.Бушенина, в которых основное внимание уделяется конструкторскому обеспечению качества резьбовых соединений.

Анализ всех этих работ и состояние проблемы технологического обеспечения и повышения качества резьбовых соединений исходя из их функционального назначения позволили сделать следующие выводы:

  1. Резьбовые соединения в зависимости от функционального назначения должны обеспечить следующие эксплуатационные свойства: неподвижные – статическую и усталостную прочность, стопорящие свойства; подвижные – износостойкость.
  2. В настоящее время большее внимание уделяется конструкторскому обеспечению данных эксплуатационных свойств. Значительно меньше внимания уделяется их технологическому обеспечению.
  3. Недостаточное отражение в литературе находит вопрос обеспечения стабильности стопорящих свойств резьбовых соединений в эксплуатации.
  4. Анализ  работ по теоретическому исследованию процессов изнашивания подвижных резьбовых соединений выявил отсутствие научно-обоснованных методик расчета на изнашивание пары трения скольжения винт-гайка с учетом параметров качества их поверхностного слоя и точности резьбы. Имеющиеся расчетные зависимости для определения интенсивности изнашивания, коэффициента трения, ожидаемого времени работы по критерию допустимой величины износа, не учитывают в полной мере точность резьбы и параметры качества поверхности, а также дают достаточно большие расхождения с экспериментальными данными.
  5. Практически открытым остается вопрос о взаимосвязи эксплуатационных свойств резьбового соединения и параметров качества поверхности резьбы. Это приводит к тому, что существующие подходы к назначению технологического метода изготовления резьбы направлены на обеспечение требований по степени точности и одного из параметров шероховатости (Ra или Rz) с учетом серийности производства, что может быть достигнуто даже принципиально различными методами резьбообработки (резание или деформирование). Такой подход не позволяет в полной мере обеспечить эксплуатационные свойства резьбового соединения.
  6. Анализ возможностей технологических методов обработки резьбы выявил достаточно большое количество способов обработки наружных резьб, в том числе и посредством пластического деформирования. Однако, приведенные в литературе рекомендации, дают существенные расхождения по обеспечению точности получаемой резьбы даже при применении одного метода резьбообработки (от 2-й до 6-й). Это обусловлено отсутствием научно-обоснованных методик определения точности резьбы и параметров качества в зависимости от метода обработки и режимов. Еще большие сложности возникают при обеспечении точности внутренней резьбы, вызванные небольшим набором методов резьбообработки. Эта проблема решается в настоящее время за счет разработки новых конструкций метчиков, которая на каждом предприятии ведется, как правило, самостоятельно, или за счет введения дополнительных слесарных операций для чистовой обработки резьбы, что значительно снижает производительность обработки.
  7. В недостаточной степени исследовано влияние режимов резьбообработки на точность и качество поверхности резьбы. Приведенные рекомендации охватывают наиболее традиционные способы резьбообработки, такие как точение, нарезание метчиками определенных конструкций и ряд других. Однако и эти данные не отличаются достаточной надежностью по обеспечению точности и качества поверхности и требуют корректировки на рабочем месте. Рекомендации по режимам для пластического деформирования резьбы, комбинированной обработки и другим прогрессивным способам отражены в литературе недостаточно и носят частный характер.

Вторая глава диссертационной работы посвящена методологии проведения исследований. Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию взаимосвязи эксплуатационных свойств резьбовых соединений с параметрами качества поверхности и точностью резьбы, обеспечиваемыми различными методами и условиями изготовления резьбы и сборки соединений. Теоретические исследования базируются на математическом описании взаимосвязи эксплуатационных свойств резьбовых соединений с параметрами качества их рабочих поверхностей  и технологией их изготовления и сборки, а также на единстве технологических процессов изготовления и эксплуатации.

       В качестве объекта исследований приняты неподвижные цилиндрические резьбовые соединения с метрической резьбой общемашиностроительного применения и винтовые пары трения скольжения, в частности, шпилечные резьбовые соединения корпусных деталей, крепежные гайки транспортных машин, винтовые механизмы стрелочных переводов. Объектом исследований являлись также технологические методы обработки и сборки резьбовых соединений, в частности: получение внутренней резьбы раскатниками, комбинированными режуще-деформирующими метчиками, режущими метчиками,  электромеханическая обработка поверхности наружной резьбы винтовой пары, сборка гладкорезьбовых соединений.

       Для неподвижных резьбовых соединений проводились исследования статической и усталостной прочности, стопорящих свойств и их стабильности при различных методах обработки и сборки.

       Для исследований на усталостную прочность и стопорящие свойства соединений применялась модернизированная установка резонансного типа (рис.1).

Рис.1.Установка для исследования усталостной прочности и стопорящих свойств резьбовых соединений.

       Для исследования износостойкости подвижных резьбовых соединений были разработаны автоматизированная система научных исследований (АСНИ)  и программное обеспечение АСНИ. Для измерения износа резьбы в гайках был разработан метод контроля параметров внутренней резьбы таких как шаг, угол профиля, высота и толщина профиля, который позволил производить контроль износа резьбы в гайках на универсальном микроскопе УИМ21. Изготовлено приспособление, которое позволило получить пластмассовый слепок с резьбы гайки и быстро и точно его зафиксировать в требуемое положение на столике микроскопа для проведения измерений.

Для проведения экспериментов по электромеханической обработке винтовых поверхностей была использована, разработанная в БГТУ установка для ЭМО со следующими техническими характеристиками: диаметр упрочняемой цилиндрической поверхности 10…200мм; глубина упрочняемого слоя 0,1-1,5мм; сила тока в цепи 0,5-4,5кА; напряжение в цепи 1,5-3,0В; усилие ролика-электрода 50-100Н. Образцы устанавливаются на латунной оправке, которая в свою очередь закрепляется в патроне станка. Кулачки патрона станка с помощью медных шин соединены с токоприемником. В резцедержателе устанавливается изолированная от станка головка с роликом, общий вид которой показан на рис.2. В корпус 1 головки  вставляются две бронзовые втулки, в отверстиях которых устанавливаются ось 3 с роликом 2 из бронзы БрОЦС5-6-5. Управление режимом обработки осуществляется с помощью электронного блока, основу которого составляет прерыватель сварочный ПСЛ-1200. Подача в зону обработки смазывающе-охлаждающей жидкости производится с помощью системы охлаждения станка. Данная установка может использоваться на базе любого токарно-винторезного станка.



Рис.2. Головка для ЭМО винтовых поверхностей.

       Для исследования возможности повышения стабильности стопорящих свойств шпилечных резьбовых соединений производилась сборка гладкорезьбовых соединений. Она осуществлялась на сверлильных станках с использованием специально разработанного технологического оснащения. Материалом деталей с внутренней резьбой являлись алюминиевые литейные сплавы, материал шпилек – конструкционная сталь.

       Третья глава диссертационной работы посвящена теоретическим исследованиям технологического обеспечения качества резьбовых соединений.

       Для неподвижных резьбовых соединений установлена взаимосвязь статической прочности, усталостной прочности, стопорящих свойств и их стабильности с точностью резьбы и состоянием поверхностного слоя.

       Установлено, что повышение статической прочности резьбовых соединений технологически достаточно незначительно и реализуется двумя способами: применением пластического деформирования для упрочнения поверхности резьбы, что целесообразно для шпилечных резьбовых соединений с корпусными деталями из материалов невысокой твердости и обеспечением равномерности распределения нагрузки по виткам резьбового соединения за счет формирования необходимой прямой конусности резьбы гайки. Суммарная величина конусности выражается:

                                (1)

где:        ΔР – отклонение шага на длине рабочей части;

       ΔРк – контактные деформации рабочих поверхностей из-за смятия

               микронеровностей при затяжке резьбового соединения.

       Эта величина и должна учитываться при расчете точности резьбы гайки и определении оптимальной конусности.        Если резьба в гайке нарезана метчиком с Ra2,5мкм, то с учетом контактной податливости Δk=10,5мкм, если резьба гайки получена с шероховатостью Ra1,0мкм, то Δk=6,5мкм. С увеличением диаметра резьбы и шага величина Δk резко уменьшается. Так для резьбы М64 с шагом 6мм она составляет 2,03мкм. Это можно объяснить уменьшением податливости витков для крупных резьб. Для резьб в диапазоне от 10 до 30мм величина Δk находится в пределах 9…12мкм (при Ra2,5мкм), что составляет примерно 0,1ТD2 четвертой степени точности резьбы. Очевидно, что и конусность резьбы, нарезанной стандартным метчиком, значительно больше и, как показали исследования, составляет примерно 20% от допуска на средний диаметр резьбы гайки, что для принятого диапазона при точности резьбы 4Н составляет 20…35мкм. Таким образом, данные гайки не могут обеспечивать равномерность распределения нагрузки по виткам. Для повышения надежности резьбовых соединений необходимо уменьшать и стабилизировать разбивку резьбы в виде конусности до величины 0,1ТD2(4) при нарезании метчиками. Это можно достигнуть либо путем увеличения точности метчиков (уменьшения погрешности шага их резьбы), что весьма проблематично; либо применением других методов обработки резьбы, а именно, методов пластического деформирования или комбинированной обработки.

        По сравнению со статической прочностью, усталостная прочность и стопорящие свойства отличаются большими возможностями в технологическом управлении, что и предопределило уделению им в работе основного внимания.

       Для технологического обеспечения и повышения усталостной прочности  резьбовых соединений необходимо установить условия обработки, оказывающие влияние на параметры резьбы, лимитирующие ее надежность (рис.3). В работе рассмотрено влияние конструктивных и
        Рис.3 Повышение усталостной прочности резьбовых соединений.

технологических параметров на сопротивление усталости. Основное влияние уделяется исследованию влияния точности, радиуса закругления, шероховатости поверхности и упрочнению поверхности резьбы. Точность изготовления резьбы определяет величину зазора или натяга в резьбовом соединении. Внутри одной и той же посадки резьбы возможно колебания зазоров и натягов от минимального до максимального значения. Точность изготовления резьбы незначительно влияет на усталостную прочность резьбовых соединений с зазорами, хотя уменьшение зазоров в резьбе  является фактором, способствующим некоторому повышению предела выносливости резьбовых соединений (однако в случае, когда твердость материала болта значительно превосходит твердость материала гайки, возможно повышение предела выносливости и при увеличении зазоров). Посадка с натягом по среднему диаметру (до определенных значений натяга) не снижает предела выносливости соединений, что можно объяснить уменьшением концентрации напряжений от стесненного изгиба витков. При дальнейшем увеличении натяга наблюдается интенсивное снижение предела выносливости вследствие появления задиров в резьбе и пластических деформаций, возникающих при монтаже соединений. В связи с этим обеспечение точности резьбы (гарантированного натяга) является актуальной задачей для обеспечения усталостной прочности резьбовых соединений с натягами.

       Учет влияния шероховатости поверхности предлагается осуществлять посредством коэффициента влияния качества обработки КFσ:

    (2)

       Данное выражение позволяет учитывать влияние шероховатости поверхности резьбы при величине параметра Rmax >1мкм, что соответствует большинству методов изготовления резьбы резанием, а также рекомендуемым значениям параметра шероховатости в зависимости от степени точности резьбы (для высокой 4-5 степени точности Ra≤1,6мкм). Проведенный расчет изменения коэффициента KF показал практически отсутствие влияния шероховатости поверхности на усталостную прочность. Так, при параметре шероховатости Ra=1,6 мкм он составляет 0,97, для параметра шероховатости Rz=15 (что практически не встречается в резьбовых соединениях) KF=0,86. Шероховатость поверхности, полученной деформированием, а также обработкой резанием с параметром Rmax≤1мкм, как уже было отмечено выше, практически не оказывает влияния на усталостную прочность резьбового соединения.

Исследования взаимосвязи эксплуатационных свойств деталей машин с параметрами состояния поверхностного слоя достаточно подробно приведены в работах А.Г.Суслова, где установлено, что волнистость и макроотклонения поверхности не оказывает влияния на усталостную прочность соединения. Эти положения справедливы и для резьбовых соединений, как в части волнистости поверхности, так и макроотклонений.        Однако наличие макроотклонений в резьбовом соединении может оказывать влияние на распределение напряжений между витками резьбового соединения. Наиболее важными характеристиками отклонения формы резьбовых деталей являются овальность и конусность.

Предел выносливости резьбовых соединений в большой степени определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя резьбы. Теоретические и экспериментальные исследования убедительно свидетельствуют о зарождении усталостных трещин в поверхностном слое и о первостепенном влиянии микрогеометрических и физических параметров на условие их зарождения и скорость роста.        Механическая обработка не обеспечивает стабильности и однородности степени и глубины наклепанного слоя на поверхности деталей. Средством стабилизации наклепа и микротвердости поверхности являются методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и формообразующей обработки пластическим деформированием, которые позволяют значительно изменить физико-механические свойства поверхностного слоя.

       Усилие затяжки, являющееся одним из основных параметров, характеризующих резьбовое соединение, в течение эксплуатации может самопроизвольно снижаться. Основными причинами, вызывающими его ослабление, являются: объемные пластические деформации в соединении, самопроизвольное увеличение пластических микроконтактных деформаций на торце гайки (винта) и в витках резьбы и самоотвинчивание гаек в условиях вибрационных нагрузок. Особенное значительное ослабление усилия затяжки модет наблюдаться при повышенных температурах вследствие ползучести материала.

       Снижение усилия затяжки с течением времени вследствие реологии напряжений в болте (винте), а также уменьшение сближения между взаимодействующими витками резьбы приводят к снижению контурных давлений, вызывая увеличение микрозазора между торцом гайки (винта) и сопрягаемой деталью. В результате упругого восстановления в зонах фактического касания микронервоностей происходит частичная компенсация первоначального усилия затяжки.        Сближение между поверхностями взаимодействующих витков резьбы также влияет на ослабление усилия затяжки (особенно это наблюдается в шпилечных резьбовых соединениях.

       Основной причиной выхода из строя передач «винт-гайка» является износ по боковым сторонам профиля. При повышенном износе резко возрастает зазор в резьбовом сопряжении, что приводит к  нарушению точности пары, к возникновению при определенных условиях перекосов гайки относительно оси винта и, как следствие этого, к неравномерности нагрузки по виткам, что вызывает еще более интенсивный износ.

Анализируя нагрузку по виткам резьбы в передаче видно, что чем выше точность сопряжения резьбы по боковым сторонам профиля (что обеспечивается при изготовлении тремя параметрами – средним диаметром, шагом и углом профиля), тем равномернее будет распределение нагрузки по виткам, тем более равномерным будет износ витков и, следовательно, будет обеспечена более высокая долговечность работы  винтовой пары. Однако существующая технология изготовления резьб не позволяет получить резьбовые сопряжения с зазорами, близкими к нулю из-за имеющих место больших погрешностей, особенно при изготовлении резьбы в гайке. Особо точные резьбовые передачи изготавливаются индивидуальной подгонкой, когда путем резьбошлифования винта пара подгоняется до получения сопряжения без так называемого «люфта», однако и в этом случае не гарантируется равномерность нагрузки в витках сопряжения, т.к. точно проверить отклонения шага, угла профиля, да и часто среднего диаметра резьбы гайки существующими методами невозможно.

Таким образом резерв повышения износостойкости резьбы видится в повышении износостойкости и точности резьбы гайки, что позволит значительно уменьшать допуски по d2/D2 резьбы, предусматриваемые ГОСТами для компенсации погрешностей изготовления собственно среднего диаметра, шага и угла профиля.

Так как обычно резьбовые соединения защищены от попадания посторонних частиц, которые могут вызвать абразивный износ, то причиной изнашивания винтовой пары являются усталостные явления, возникающие в результате упругой и пластической деформаций в витках гайки, а также трение скольжения в резьбе.

Основными критериями износостойкости передачи винт - гайка с трением скольжения являются: допускаемые значения контактных давлений; температур; интенсивность изнашивания материалов витков; момента сопротивления (трения) или эквивалентное ограничение по коэффициенту трения скольжения; скоростей скольжения в контакте витков. Контактное давление на поверхности резьбы определяется по формуле, аналогичной используемой для определения напряжения смятия в крепежных резьбах:

где: αn - коэффициент нагрузки (αn=1...3), зависящий от условия прилегания витков в эксплуатации;  Q - осевая сила; d2 - средний диаметр резьбы (диаметр воображаемого цилиндра, поверхность которого пересекает резьбу в таком месте, где ширина витка равна ширине впадины);  hb - рабочая высота профиля резьбы, на которой соприкасаются витки винта и гайки;  zb - число рабочих витков резьбы гайки.

       Рекомендации по выбору допускаемого контактного давления в сопряжении витков резьбы следующие: при трении закаленной стали по бронзе [р] = 10... 13 МПа; для незакаленной стали по бронзе [р] = 8...10 МПа, для незакаленной стали по чугуну [р] = 4...7 МПа. В прокатных станах винты нажимных устройств работают при контактных давлениях до 15... 20 МПа. Допускаемые контактные давления в механизмах точных перемещений, в делительных цепях станков и других устройствах должны быть уменьшены в два - три раза по сравнению с винтами общего назначения.

Главные факторы, от которых зависит допустимое контактное давление [р], следующие:

- материалы гайки и винта, их механические, физико-химические свойства; вид поверхностной механической, химико-термической обработки;

- шероховатость поверхностей;

- антифрикционные свойства материалов витков;

- смазочный материал; от вида и сорта смазочного материала в значительной степени зависят эксплуатационные характеристики и надежность механизмов (например, при использовании в парах скольжения пластичных смазочных материалов с кремнийорганическими соединениями контактные давления не должны превышать 1-2 МПа);

- температурные условия эксплуатации узла трения; внешняя температура (среды) и температура, возникающая вследствие работы сил трения в контакте витков, оказывают большое влияние на работоспособность винтовой пары скольжения;

- скорость скольжения в месте контакта витков, которая приводит к повышению контактной температуры, многократному  передеформированию смазочного материала, срезу микронеровностей.

- агрессивное воздействие окружающей среды, попадание в контакт влаги, химически активных веществ, абразивных частиц и других внешних примесей;

- запас смазочного материала и его подача в контакт трущихся частей; в связи с протеканием физико-химических и механических процессов в смазочном материале при трении и изнашивании витков смазочный материал теряет свои свойства, поэтому необходимо его регулярно пополнять в зоне контакта;

- возобновление смазочного материала, удаление продуктов изнашивания, абразивных частиц и деградированных продуктов смазочных материалов с трущихся поверхностей в период между обслуживаниями;

- общий срок службы механизма; вибрационные воздействия, изменение направления внешней нагрузки и скорости скольжения, температурные перепады в узле.

Большое внимание должно быть уделено обеспечению достаточной площади контакта трущихся поверхностей витков, т.е. увеличению размера несущей поверхности витков. Несовпадение углов профилей резьбы винта и гайки, особенно в начальный момент сопряжения, уменьшает площадь контакта витков, повышает местные касательные давления, касательные напряжения, температуру трения, способствует ускоренному изнашиванию.

       Повышенные нагрузки усиливают напряженное и деформированное состояние контактирующих поверхностей витков, способствуют выжиманию смазочного материала из зоны контакта по гребешкам микронеровностей. При этом возрастают микро- и макропластические деформации в местах контакта поверхностей, что особенно важно при наличии тангенциальных перемещений в области контакта, крутильных колебаний и вибраций. Локальные значения касательных напряжений (коэффициента трения) при образовании микрозадиров в местах фактического контакта шероховатых поверхностей будут превышать устанавливаемые экспериментально средние значения коэффициентов трения. С увеличением действующего контактного напряжения интенсивность изнашивания винтовой пары повышается.

Так как для работы винтовой пары недопустимо наличие пластической деформации в витках резьбы, то определять изнашивание будем при условии упругих деформаций в зонах фактического касания микронеровностей взаимодействующих витков резьбы гайки и винта.

Для  оценки величины износа использовалась линейная интегральная интенсивность изнашивания Ih. Определение Ih производится, считая, что изнашивание носит усталостный характер и при взаимодействии имеет место упругий ненасыщенный контакт.

Приведенные выше результаты исследований убедительно показали, что все эксплуатационные свойства резьбовых соединений зависят от их точности (табл.1).

Таблица 1

Эксплуатационные свойства

Параметры состояния поверхности

Шероховатость

Микро-твердость

Остаточные напряжения

Точность

Ra

Rmax

Rp

Hμo

σo

по d2

Статическая прочность

-

-*

-

+*

+*

+*

+*

+*

Усталостная прочность

-

-*

-

+*

+*

+*

+*

+*

Стопорящие свойства

-

-

-*

-

0

-

0

+*

Износостойкость

-

-

-*

+*

+

+

+

+*

Точность резьбовых деталей определяется степенью точности, которая является комплексным параметром для оценки точности резьбы через ее приведенный средний диаметр (который включает отклонения собственно самого среднего диаметра, а также диаметральные компенсации отклонений шага резьбы и ее угла профиля), а также наружный и внутренний диаметры.                                                Обработка резьбы в корпусных деталях  производится в  настоящее время в основном на сверлильно-фрезерно-расточных станках с ЧПУ. На станках этой группы обрабатывается значительное количество резьбовых отверстий в ответственных корпусных деталях из черных и цветных металлов, с точностью – от 2-й до 6-й степени. Получают резьбы в таких отверстиях в основном нарезанием метчиками. В высокопластичных материалах корпусов, таких как алюминиевые сплавы, широко применяют обработку пластическим деформированием бесстружечными метчиками. Большие затруднения возникают при обработке резьб такой точности в автоматизированном производстве, на станках с ЧПУ, агрегатных станках и автоматических линиях. В условиях серийного производства, а также при большом числе резьбовых отверстий в одном корпусе важнейшим требованием к технологии резьбообработки является стабильность точности получаемой резьбы. Однако при использовании режущих метчиков имеет место так называемая «разбивка» резьбы, т.е. неконтролируемое колебание среднего диаметра резьбы.

       Рекомендации по величине разбивки в настоящее время отсутствуют. Поэтому на практике часто идут по наиболее легкому пути – пути создания новых конструкций метчиков или других резьбообрабатывающих инструментов. Появились конструкций метчиков  с бочкообразным зубом, режуще-деформирующие,  деформирующие  и другие, которые позволяют уменьшить разбивку, но решить проблему окончательно этим не удается, так как такие метчики имеют ряд ограничений по применению. С этой целью ГОСТ 16925-71 предусматривает 4 класса точности машинных режущих метчиков (Н1, Н2, Н3, Н4) и дает рекомендацию по их выбору в зависимости от точности нарезаемой резьбы. Так, метчики первого класса точности Н1 рекомендуют для резьб точности 4Н и 5Н; Н2 – соответственно  для резьб 5G, 5Н и 6Н и т.д. Нетрудно заметить, что в этой системе отсутствует рекомендация по применению метчиков для резьб точности 2Н и 3Н, для которых предприятия вынуждены разрабатывать специальные метчики, допуски на которые конструктор-инструментальщик вынужден назначать наугад, интуитивно, что не всегда дает хороший результат, т.к. руководящих материалов для этого нет. Аналогично поступили разработчики стандартов на бесстружечные метчики (ГОСТ 18843-73), перенеся систему стандарта  режущих метчиков  фактически без изменений на принципиально новый инструмент. Разработчики вспомогательной оснастки к метчикам (резьбонарезные патроны и т.д.) вообще не учитывают в технических требованиях на нее точность нарезаемой резьбы. Нет также данных по выбору класса точности оборудования в зависимости от точности нарезаемой резьбы.

       Это привело к тому, что технологи предприятий вынуждены на станках с ЧПУ и другом оборудовании выполнять только предварительную обработку резьбы, для чего в технологические процессы закладывается обработка точной резьбы комплектом метчиков. Первым метчиком (черновым) производится нарезание на станке, вторым (чистовым) – вручную, для чего вводится дополнительная слесарная операция. Это приводит к большим затратам труда, снижению производительности обработки.

       В работе предлагается методика расчета точности получаемой резьбы, учитывающая влияние всей технологической системы. Так как при обработке резьбы метчиком при данной схеме  основной погрешностью является разбивка резьбы по среднему диаметру, то все погрешности технологической системы необходимо привести единой величине разбивки, которая применительно к среднему диаметру и принятым условиям обработки будет включать суммарную погрешность настройки на размер н, погрешности размерного износа инструмента и и суммарную погрешность станка ст ( в нее входят только те погрешности, которые влияют на точность среднего диаметра). Погрешностью, связанной с упругими деформациями технологической системы, можно пренебречь из-за ее незначительности. Размерный износ метчиков в основном происходит по вершинам витков, после чего калибрующие витки последовательно переходят в режущие. Износ по боковым сторонам калибрующих витков также незначителен, поэтому его в данном случае можно также не учитывать. Таким образом, основными факторами, влияющими на разбивку резьбы при нарезании метчиками, следует считать н и ст. Обработка резьб происходит при очень низкой скорости резания (6…12 м/мин) с охлаждением, поэтому температура обработки будет близкой к окружающей. В технологических расчетах рекомендуется принимать при обработке лезвийным инструментом погрешности, вызванные тепловыми деформациями т, равными 10…15% от величины суммарной погрешности. Так как суммарная погрешность неизвестна, т можно принимать минимальной, равной 0,1(н + ст).

       Применительно к рассматриваемому случаю зависимость для расчета общей погрешности обработки будет иметь вид

.  (4) 

       Также была создана методика расчета точности резьбы при обработке на токарных станках. В качестве примера в работе рассмотрена погрешность при нарезании многониточным резцом гайки М39х2-4Н на станке 1В340Ф3. Длина резьбы l=40мм. Резец имеет ao=12°, отклонение угла профиля ±5, шага ±0,012мм, диаметр рабочей части 30мм. Проведенные расчеты позволили определить суммарную ожидаемую погрешность обработки - fΣ=48,9мкм.

       Сравнивая с допуском среднего диаметра резьбы М39х2-4Н, который равен 140мкм видно, что погрешность обработки в данных условиях составляет не более 0,35ТD2 – 4Н. Очевидно, что данная технологическая система может обеспечить получение резьб и более высоких степеней точности (3-й и 2-й степени). Измерения гаек М39х2 показали, что при нарезании резьбы многониточными резцами имеется прямая конусность резьбы в пределах примерно 0,01мм, что близко к расчетной из условия равномерности распределения нагрузки по виткам. Такая конусность получается в результате суммирования осевых погрешностей станка и отклонений шага ниток резца. Приведенные значения получены экспериментально путем проверки точности резьбы набором резьбовых калибров, изготовленных по среднему диаметру через 0,01мм.

       Таким образом, установлена взаимосвязь эксплуатационных свойств неподвижных и подвижных резьбовых соединений с точностью и качеством поверхности резьбы; определены основные параметры точности и качества, влияющие на определенное эксплуатационное свойство и предложена методика определения точности получаемой внутренней резьбы.

       Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям технологического обеспечения качества резьбовых соединений. Установлены возможности методов обработки резьб в обеспечении точности и параметров состояния поверхности резьбы (табл.2). Получены эмпирические уравнения взаимосвязи параметров качества  резьбы с условиями обработки.        В частности для электромеханической обработки:

где:         Р – нормальная сила,Н; I – сила тока,кА;  i – число рабочих ходов.

Определена величина припуска на раскатывание для резьб диаметрами от 20 до 90мм при шаге от 2 до 6мм:

Z=0,095Р0,41,  (8)

где: Р- шаг резьбы.

Выбор оптимального технологического метода обработки резьбы является сложной многофакторной задачей. При его назначении наряду с эксплуатационными и точностными характеристиками, предусмотренными техническим заданием, необходимо учитывать возможности производства, уровень технологии, наличие оборудования и инструментов, серийность, экономические показатели и т.п.

                                                                                                                                                                                                                                                                                       Таблица 2

Возможности методов обработки по обеспечению точности резьбы и параметров состояния ее рабочих поверхностей

Метод обработки

Степень точности резьбы

Параметры состояния поверхностного слоя резьбы

Hmax,

мкм

Wz,

мкм

Smw,

мм

Ra,

мкм

Rp,

мкм

Sm,

мм

S,

мм

±ост,

МПа

h,

мм

UH,

%

hH,

мм

Нарезание резцами, гребенками, резцовыми головками

4-6

3-10

3-20

0,8-3,0

1,6-4,0

4,0-12

0,08-0,25

0,032-0,16

150-250

0,02-0,1

10-30

0,05-0,15

Нарезание метчиками, плашками

6

4-12

2-15

0,8-2,5

1,25-3,2

3,0-10

0,063-0,2

0,025-0,125

200-300

0,02-0,15

10-40

0,05-0,2

Шлифование резьбы

2-4

2-8

2-12

0,8-5

0,63-1,25

1,5-4,0

0,02-0,1

0,01-0,08

150-200

0,02-0,08

0-30

0,05-0,15

Накатывание, раскатывание

2-4

2-6

4-12

0,8-6,0

0,8-2,5

1,6-7,0

0,063-0,15

0,025-0,1

200-400

0,04-0,2

50-80

0,1-1,0

       Примечания:1.Данные относят к деталям из конструкционной стали.

                       2.Для деталей из чугуна параметры шероховатости Ra и Rz можно принимать в 1,5 раза большими

табличных.

3.Характеристики физико-механических свойств для деталей из чугуна следует принимать в 1,5

раза меньшими табличных.

Уменьшить влияние субъективного подхода к выбору технологического метода позволяет метод оптимизации параметров. Оптимизация заключается в выборе технологического метода с параметрами, при которых достигается максимальный эффект при заданных затратах, либо заданный эффект при минимальных затратах. Математическая модель оптимизации, описывающая функционирование рассматриваемого объекта, состоит из целевой функции и ограничений.

  (9)

Под ограничениями понимают условия изготовления и эксплуатации резьбового соединения.

       Для выбора оптимального технологического метода обработки резьбы одного технического показателя недостаточно. В данном случае необходимо учитывать несколько целей. Для каждой цели Цij назначается весовой коэффициент kij (где i – порядковый номер критерия оценки, j – порядковый номер рассматриваемого технологического метода).  При m критериях оценки интегральная целевая функция имеет следующий вид:

                               (10)

       Для решения  оставляется матрица оптимизации (табл.3), позволяющая дать анализ n конкурирующих технологических методов. Критериями оценки Аi являются наиболее существенные технико-экономические показатели, удельные значения которых определяют выбранные в соответствии с требованиями к характеристикам резьбовой детали или соединения весовые коэффициенты.

Таблица 3

Форма матрицы оптимизации решений

Критерий оценки

Весовой коэффициент

Вариант решений

1

2

n

А1

k1

Ц11

k1Ц11

Ц12

k1Ц12

Ц1n

k1Ц1n

А2

k2

Ц21

k2Ц21

Ц22

k2Ц22

Ц2n

k2Ц2n

Аm

km

Цm1

kmЦm1

Цm2

kmЦm2

Цmn

kmЦmn

Итого:

Σk1=1

Ц1

Ц2

Цn

       Вычислительные процедуры по данным матрицы ведутся в условной форме. Значения целевых функций Цij, полученных в результате расчета  или на основе экспериментальных данных выражаются в баллах от 1 до 10. Очевидно, что вероятность нахождения оптимума будет тем выше, чем удачнее определена значимость величин kijЦij. Более точное решение в этом случае обеспечивает метод экспертных оценок с привлечением нескольких опытных специалистов. Баллы целевой функции записываются в левом верхнем углу клеток матрицы, а произведение kijЦij  – в правом нижнем углу. Значения интегральных целевых функций Цi, для каждого варианта решения указываются в  итоговой нижней строке.

       В пятой главе рассматривается технологическое повышение качества резьбовых соединений.

Резьба может изготавливаться резанием, деформированием, комбинированной обработкой и в редких случаях электрофизической и электрохимической обработкой, первичным формообразованием. Анализ способов обработки внутренних резьб позволяет сделать следующие выводы:

  • по сравнению с методами обработки наружных резьб значительно сужены разновидности способов методов пластического деформирования резьбы;
  • область применения методов деформирования резьбы в значительной степени ограничена механическими свойствами обрабатываемых материалов и шагом резьбы;
  • для внутренних резьб, имеющих преобладающее распространение в машиностроении в качестве крепежных резьб (до М20), существует крайне ограниченное количество способов резьбоформирования, а для некоторых типоразмеров и обрабатываемых материалов единственный способ – нарезание метчиками;
  • возникают большие проблемы при изготовлении точной резьбы (2-4 степени точности) в резьбовых гнездах для вышеуказанного диапазона резьб.

Наиболее благоприятное влияние на повышение эксплуатационных свойств оказывают методы пластического деформирования резьбы, которые в достаточной мере представлены для изготовления наружных резьб, однако недостаточно распространены при получении внутренних резьб.

Особое место среди методов обработки резьбовых поверхностей занимают методы комбинированной обработки, которые, как правило, заключаются в предварительной обработке резанием для получения профиля резьбы; с последующей обработкой поверхностных слоев витков резьбы деформированием, электромеханической обработкой и т.п.

Наиболее распространенным методом комбинированной обработки является нарезание резьб с последующим обкатыванием. Обкатыванием роликами предварительно нарезанных резьб достигается повышение их усталостной прочности, снижение шероховатости поверхности витков и повышение точности элементов резьбовых поверхностей. Происходит наклеп и упрочнение поверхностных слоев витков, в результате чего возникают значительные остаточные напряжения. Эти явления особенно сильно проявляются во впадинах витков. Особенно значительный эффект достигается при упрочняющем обкатывании вибрирующим роликом предварительно нарезанных крупных резьб с шагом свыше 5…6 мм. Отделочное обкатывание целесообразно использовать и для повышения точности и снижения шероховатости поверхности витков предварительно нарезанных резьб.

Для повышения статической и усталостной прочности резьбовых соединений, а также износостойкости гаек в винтовых парах, предложены конструкции раскатников  и комбинированных метчиков (рис.4), позволившие повысить точность и качество поверхности резьбы на которые разработаны стандарты предприятия.

Для повышения долговечности подвижных резьбовых соединений предложена электромеханическая обработка (ЭМО), как окончательная операция обработки резьбовой поверхности. Применение электрохимической обработки для наружной резьбы позволяет придать требуемым участкам винтовой поверхности необходимые физико-механические свойства: повысить твердость поверхности, прочность, снизить шероховатость. Помимо этого, за счет ЭМО можно существенно снизить себестоимость изготовления деталей за счет исключения операций механической обработки, предназначенных для исправления деформаций, полученных вследствие термической обработки. При электромеханической обработке определена площадь контакта инструмента (ролика) и винтовой поверхности – это необходимо для назначения режима обработки, в частности силы тока.

       Сборка является завершающим и наиболее ответственным этапом производства, на котором интегрируются результаты всех предшествующих этапов производства и формируются основные показатели качества выпускаемых изделий.

Главным условием нормальной работоспособности узлов с неподвижными резьбовыми соединениями является обеспечение плотности или герметичности их стыков при сборке и сохранение этих свойств в процессе эксплуатации соединения. Обеспечение этого условия в значительной степени определяется правильностью затяжки резьбового соединения, характеризуемой рядом показателей:

  • величиной усилия предварительной затяжки и степенью ее обоснованности;
  • точностью реализации этого усилия на одиночном соединении;
  • равномерностью затяжки групповых соединений;
  • стабильностью затяжки соединения при эксплуатации.

Для обеспечения качества резьбовых соединений необходимо:

  • при проектировании – исходя из условий эксплуатации установить рациональные запасы прочности по напряженному состоянию в зоне резьбы (уровню затяжки), а также по статической и усталостной прочности соединения;
  • при изготовлении – обеспечить, заданную из функционального назначения резьбового соединения, точность крепежных деталей и качество поверхности резьбы;
  • при сборке – достичь требуемого напряженного состояния каждого резьбового соединения (в зоне резьбы) с минимальным разбросом контролируемого параметра;
  • при эксплуатации – обеспечить сохранение полученных запасов прочности по установленным ранее параметрам.

       Практическая реализация указанных выше положений представляет достаточно сложную техническую задачу и в настоящее время не находит широкого применения из-за отсутствия установленных взаимосвязей, проявляющихся на протяжении жизненного цикла изделия на стадиях «проектирование-изготовление-сборка-эксплуатация».

Для повышения надежности и долговечности резьбовых соединений шпилька-корпус из алюминиевых сплавов предложены так называемые гладкорезьбовые соединения (рис.5) и разработана технология их получения. Данные соединения реализуются посредством ввинчивания шпилек в гладкие отверстия корпусных деталей, выполненных из алюминиевых и магниевых сплавов. Для данных соединений, исходя из условия равнопрочности  стержня шпильки и резьбы, определен диаметр исходного отверстия:

                                                                               

                                                                                       (11)

Разработана технология получения данных соединений на универсальных станках и станках с ЧПУ, разработаны конструкции  патронов для сборки на различном оборудовании, проведены исследования эксплуатационных свойств.

Рис.5 Гладкорезьбовое соединение

При реализации  гладкорезьбовых соединений: за счет положительного влияния процесса пластического деформирования резьбы наблюдается повышение практически всех эксплуатационных свойств, необходимых для крепежных резьбовых соединений: статической прочности, усталостной прочности, стопорящих свойств, и, особенно значительно, стабильности стопорящих свойств в процессе эксплуатации; значительно упрощается возможность автоматизации и механизации процесса сборки резьбового соединения; повышается производительность и снижается себестоимость изготовления соединения за счет исключения операции нарезания резьбы в отверстии корпуса, отсутствия необходимости применения селективной сборки и т.п.

       В шестой главе приводятся данные экспериментальных исследований статической и усталостной прочности, стопорящих свойств и износостойкости резьбовых соединений, подтверждающие теоретические исследования.        В частности, на рис.6 представлены результаты исследований статической прочности от метода изготовления резьбы (1-раскатник, 2 – комбинированный метчик, 3 – режущий метчик).

       Приведены результаты реализации научных исследований и расчет экономического эффекта. Реализацией исследований стали разработанные стандарты предприятия на комбинированные режуще-деформирующие метчики для обработки литейных алюминиевых сплавов низкой пластичности; метчики чистовые комбинированные режуще-деформирующие для обработки резьб диаметром 24…60мм и шагом более 3мм в материалах средней и низкой пластичности, приведенные в приложении к работе. Экономический эффект достигается:  при применении комбинированного инструмента за счет снижения брака на 20%;  при использовании ЭМО - за счет исключения термической обработки и операций механической обработки, предназначенных для исправления деформаций, полученных вследствие термической обработки; при использовании гладкорезьбовых соединений – за счет исключения резьбонарезных операций в корпусных деталях, затрат на метчики и выполнения селективной сборки. Общий экономический эффект составил 800000 рублей.

Рис.6 Зависимость статической прочности от метода обработки резьбы.

       В приложении приведены стандарты предприятия на разработанные инструменты и акты внедрения результатов исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.Решена научная проблема технологического обеспечения и повышения качества резьбовых соединений, заключающаяся в выборе технологических методов и определении условий изготовления исходя из функционального назначения, и в разработке новых комбинированных инструментов, применении электромеханической обработки, создании гладкорезьбовых соединений, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств резьбовых соединений.

2.Эксплуатационными свойствами, определяющим качество неподвижных резьбовых соединений, являются статическая и усталостная прочность, стопорящие свойства. Эксплуатационным свойством, определяющим качество подвижного резьбового соединения, является износостойкость витков резьбы.

2.Для технологического обеспечения и повышение статической прочности резьбовых соединений необходимо реализовать равнопрочность соединения, которая обеспечивается упрочнением витков резьбы гайки, обеспечением равномерного распределения нагрузки между витками и обеспечением точности резьбы.

3.Для технологического обеспечения усталостной прочности резьбовых соединений необходимо уменьшение концентраций в зоне напряжений и повышение прочности поверхности витков. Первое положение реализуется  обеспечением стабильного и качественного радиуса закругления впадины, обеспечением точности внутренней резьбы и обеспечением равномерного распределения нагрузки между витками. Второе положение реализуется обеспечением оптимальных микротвердости, остаточных напряжений и шероховатости поверхности резьбы.

4.Установлено, что для технологического обеспечения стопорящих свойств резьбовых соединений с натягом необходимо обеспечение оптимального натяга в соединении, что реализуется обеспечением точности изготовления резьбы. В процессе эксплуатации стопорящие свойства соединения снижаются. Причинами этого являются объемные пластические деформации в соединении, самопроизвольное увеличение пластических микроконтактных деформаций в витках резьбы и самоотвинчивание в условиях вибрационных нагрузок. Для технологического обеспечения стабильности стопорящих свойств в процессе эксплуатации необходимо осуществить перенос пластических деформаций из эксплуатации в технологию изготовления.

5.Для технологического обеспечения износостойкости подвижных резьбовых соединений необходимо уменьшить интенсивность изнашивания, что реализуется за счет обеспечения точности, шероховатости, упрочнения и остаточных напряжений поверхности витков резьбы.

6.Разработанная методика расчета точности обработки внутренней резьбы позволяет на стадии технологической подготовки производства выбрать оптимальный метод получения резьбы. Также осуществлена возможность установления наиболее значимых элементарных погрешностей обработки и путей их снижения. На основе данной методики предложен ряд новых технологий изготовления внутренней резьбы, в том числе: обработка комбинированными метчиками и нарезание многониточными круглыми гребенками.

7.Установлено, что повышение эксплуатационных свойств резьбовых соединений обеспечивается:

  • применением раскатников и комбинированных метчиков, что позволяет  повысить статическую и усталостную прочность соединения, а также стабильность стопорящих свойств;
  • применением раскатывания для повышения износостойкости гаек винтовых пар;
  • применением электромеханической обработки для повышения износостойкости наружных резьбовых деталей;
  • применением гладкорезьбовых соединений для повышения стопорящих свойств и их стабильности, и в некоторой степени, статической прочности.

8.Гладкорезьбовые соединения позволяют решить проблему технологического обеспечения качества одноступенчато за счет назначения оптимального размера диаметра исходного отверстия; значительно упростить возможность автоматизации и механизации процесс сборки резьбового соединения; повысить производительность и снизить себестоимость  изготовления соединения за счет исключения операции нарезания резьбы в отверстии корпуса, отсутствия необходимости применения селективной сборки и т.п.

9.Установлено, что применение раскатывания резьбы в бронзовых гайках винтовых пар позволяет уменьшить износ в 1,5-2,5 раза, а также гарантированное обеспечение необходимой точности резьбы позволяет уменьшить зазор в винтовой паре более чем в 2 раза, что обеспечивает практически равномерное распределение нагрузки по виткам и повышение долговечности гайки.

10.Применение ЭМО ходовых винтов позволяет повысить износостойкость на 50-80% за счет упрочнения поверхности и снижения шероховатости, а также существенно снизить себестоимость изготовления за счет исключения операций механической обработки, предназначенных для исправления деформаций, полученных вследствие термической обработки.

Всего опубликовано 56 работ. Основные публикации:

Монографии, справочники, энциклопедии

  1. Машиностроение. Энциклопедия/ Технология изготовления деталей машин Т.III-3/А.М.Дальский, А.Г.Суслов, Ю.Ф.Назаров и др.; под общ. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2000.  - 840с. // Прокофьев А.Н. Обработка резьб, в том числе на крупногабаритных деталях (раздел 5.3.3, С.799-803).
  2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/ Под ред. А.М.Дальского, А.Г.Суслова, А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова. – М.: Машиностроение-1, 2001. – 944с. // Прокофьев А.Н. Резьбонарезание (раздел, С.428-435).
  3. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/ Под ред. А.М.Дальского, А.Г.Суслова, А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова. – М.: Машиностроение-1, 2001. – 944с. // Стешков А.Е., Прокофьев А.Н., Мещеряков Р.К. Накатывание и раскатывание резьбы (раздел, С.527-535).
  4. Суслов А.Г., Федоров В.П., Горленко О.А. и др. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / Под общ. ред. А.Г.Суслова.-М.: Машиностроение, 2006.-448с. //Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств резьбовых соединений (глава 9, С.334-394).
  5. Горленко О.А., Прокофьев А.Н., Проскурин А.С. Размерно-точностной анализ технологических процессов сборки и механической обработки. Брянск: БГТУ, 2007. -88с.// Прокофьев А.Н. Размерно-точностной анализ технологических процессов сборки (глава 2, с.10-24).

Патент

    1. Патент РФ № 2142867. Комбинированный (режуще-деформирующий) метчик / Суслов А.Г., Ушаков И.А., Прокофьев А.Н. Бюл. изобр. №35, 1999.

Статьи в рецезируемых журналах

      1. Прокофьев А.Н. Прогрессивные технологические методы повышения качества резьбовых соединений. Ж. «Справочник. Инженерный журнал», М.: Машиностроение, 2000, №2(35). - С.9-12.
      2. Прокофьев А.Н., Лексиков В.П. Повышение долговечности резьбовых соединений. Ж. «Обработка металлов», Новосибирск, 2001,№1(12). - С.14-16.
      3. Прокофьев А.Н. Вопросы обеспечения качества изделий машиностроения при сборке. Ж. «Сборка в машиностроении, приборостроении», М.: изд-во «Машиностроение», 2004, №12. – С.24-28.
      4. Прокофьев А.Н. Технологическое обеспечение прочности и износостойкости резьбовых соединений. Ж.«Справочник. Инженерный журнал», приложение «Инженерия поверхности», М.: 2006, №4. – С21-24.
      5. Прокофьев А.Н. Технологическое повышение надежности резьбовых соединений // Вестник Брянского государственного технического университета, Брянск, БГТУ, 2006, №2. – С.48-51.
      6. Лексиков В.П., Прокофьев А.Н. Износ винтов резьбовых соединений в зависимости от метода обработки // Вестник Брянского государственного технического университета, Брянск, БГТУ, 2006, №2. – С.83-84.

Статьи в трудах конференций и сборниках

  1. Прокофьев А.Н. Надежность соединения шпилька-корпус // Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения: матер. науч-техн. конф., Куйбышев, 1989 – С.212-213.
  2. Прокофьев А.Н. Влияние шероховатости поверхности отверстия на надежность гладкорезьбовых соединений // Проблемы повышения качества, надежности и долговечности машин и инструментов: Сб. науч. тр., Брянск, БИТМ, 1991. – С.13-17.
  3. Суслов А.Г., Стешков А.Е., Прокофьев А.Н. Технология гладкорезьбовых соединений // Повышение качества машин: сб. тр. межд. науч.-техн. конф., Брянск, 1994. – С.180-183.
  4. Стешков А.Е., Прокофьев А.Н. Научные основы обработки высокоточных внутренних резьб // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: сб. тр. междун. науч.-техн.конф., Донецк, 1999. – с.299-300.
  5. Хандожко А.В., Прокофьев А.Н., Дарковский Ю.В. Повышение качества резьб с крупным шагом // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: сб. тр. междун. науч.-техн.конф., Донецк, 1999. – с.301-303.
  6. Стешков А.Е., Прокофьев А.Н. Моделирование на ЭВМ процесса резьбонарезания с целью управления точностью обработки // Сертификация и управление качеством продукции: матер. междун. науч.-техн. конф., Брянск, 1999. – С.128-129.
  7. Дарковский Ю.В., Прокофьев А.Н., Хандожко А.В. Повышение качества винтовых канавок путем профилирования инструмента и электромеханической обработки. Ж. «Материалы.Технологии.Инструменты», Могилев, 1999, №3. С.101-104.
  8. Прокофьев А.Н., Лексиков В.П. Создание резьбовых соединений методами пластического деформирования // Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа: матер. науч.-техн. конф., М:, МГТУ(МАМИ), 1999. – С.7-8.
  9. Прокофьев А.Н. Технологическое повышение качества резьбовых соединений // Повышение качества машин, технологической оснастки и инструментов: Сб. науч. тр., Брянск, БГТУ, 1999. - С.7 – 8.
  10. Прокофьев А.Н., Дарковский Ю.В. Обработка резьбы // Технология-2000: Сб. тр. межд. науч.-техн.конф., Орел, ОрелГТУ, 2000. – С.187-190.
  11. Прокофьев А.Н. Прогрессивные технологии изготовления резьбовых соединений // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: межвуз. науч. сб., Волгоград, ВолГТУ, 2000. - С.77-80.
  12. Прокофьев А.Н. Разработка системы выбора оптимального метода обработки резьбы // Качество машин: Сб. тр. междун. науч.-техн. конф., Брянск, БГТУ, 2001. – С.88-89.
  13. Дарковский Ю.В., Прокофьев А.Н., Руденков Г.Г. Электромеханическая обработка ходовых винтов // Качество машин: Сб. тр. междун. науч.-техн. конф., Брянск, БГТУ, 2001. – С.225-227.
  14. Прокофьев А.Н., Дарковский Ю.В., Инютин В.П. Суслов А.Г. Электромеханическая обработка ходовых винтов стрелочных переводов // Теоретические и технологические основы упрочнения и восстановления изделий машиностроения: Сб. науч. тр., Новополоцк, ПГУ, 2001. – С.617-620.
  15. Стешков А.Е., Прокофьев А.Н. Точность резьбы при обработке многониточными резьбовыми резцами на токарных станках с ЧПУ // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении: Сборник статей по материалам Всероссийской науч.-техн. конф., Нижний Новгород-Арзамас, 2002. – С.130-135.
  16. Прокофьев А.Н. Сборка гладкорезьбовых соединений         // Технологические системы в машиностроении: Тр. межд. научн.-техн. конф., Тула, 2002. – С.37-40.
  17. Прокофьев А.Н., Руденков Г.Г. Метод комбинированной обработки деталей резьбовых соединений // Нетрадиционные методы обработки: Сб. науч. тр. межд. конф., Воронеж, 2002. – С.57-61.
  18. Суслов А.Г., Прокофьев А.Н. Технология сборки гладкорезьбовых соединений // «Technika i technologia montazu maszyn»: Материалы пятой междун. конф. ТТММ-04, Польша, Жешув, 2004. - С.83-88.
  19. Суслов А.Г., Прокофьев А.Н. Технология вворачивания двухсторонних винтов в гладкие отверстия корпусов. Ж. «Technologia i automatyzacia montazu», Польша, Варшава, 2005, №4. – С.5-8.
  20. Прокофьев А.Н., Лексиков В.П. Технологическое обеспечение прочности и износостойкости резьбовых соединений // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник тр. XIV междунар. науч.-техн.конф., Донецк, ДонГТУ, 2007,т.2. – С.210-214.



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.