Moskva, Moscow, Russian Federation
UDK 621.9.048.6 Ультразвуковая обработка. Вибрационная обработка
The present state research overviews on the use of ultrasonic vibrations in press joints. The main effect occurring in ultra-sonic activation for pressed parts is friction force break. The works investigating the effect of ultrasound on the friction of various materials, as well as the application of this effect in pressing are viewed in the article.
ultrasound, vibrations, pressing, friction force
Введение
Прессовые соединения, применяемые в разных механизмах и узлах машиностроения, передают нагрузку вследствие действия между соединяемыми поверхностями силы трения, значение которой определяется величиной натяга между деталями.
Широкое распространение прессовых соединений связано с такими преимуществами как простота, связанная с тем, что узел формируется только за счёт двух деталей, точность центрирования запрессовываемой детали (для цилиндрических соединений), надёжность работы при больших моментах и ударных нагрузках [1].
Сборка прессовых соединений производится механическим методом или за счёт нагрева и охлаждения соединяемых деталей. Выбор способа сборки зависит от требуемой величины натяга. Сила запрессовки при механическом методе сборки должна превышать силу трения, возникающую в соединении:
Преимуществами метода механической запрессовки является простота и высокая производительность. К недостаткам относятся высокая вероятность повреждения сопрягаемых поверхностей и, как следствие, отсутствие возможности соединения деталей с различного рода функциональными покрытиями.
Поэтому снижение силы трения в процессе соединения является основным направлением совершенствования данного техпроцесса. Так, например, сборка гидропрессовым методом, заключающаяся в подачи масла в зону соединения под большим давлением, позволят снизить силу трения до 15 раз [2].
При использовании метода температурных деформаций сборка осуществляется в зазоре между нагретой охватывающей и охлаждённой охватываемой деталью. Применяемость метода также ограничена для больших величин натяга.
Перспективным способом интенсификации сборки посадок с натягом является применение ультразвуковых технологий.
Сообщение деталям колебаний ультразвуковой частоты приводит к изменению характера силы трения [3, 4]. Возникает эффект наличия между трущимися поверхностями смазочного материала – квазивязкое трение.
Несмотря на значимый эффект, количество исследований по изменению силы трения при ультразвуковых колебаниях, а также по их применению в процессе сборки неразъёмных соединений с натягом, крайне мало. Наибольшее количество исследований посвящено процессам резания с наложением колебаний и взаимодействию пуансона и матрицы при штамповке с наложением колебаний.
Данная работа является обзором научных трудов и патентов по применению ультразвуковых колебаний для снижения силы трения и интенсификации сборочных процессов прессовых соединений.
Влияние ультразвуковых колебаний
на силу трения
В работе [5] дан качественный анализ преобразования сухого трения в квазивязкое (рис. 1) на примере поступательного движения вала во втулке, колеблющейся с ультразвуковой частотой.
В условиях, когда колеблющаяся поверхность движется быстрее, а сила трения направлена в сторону движения вала, то колеблющаяся поверхность передаёт ему часть кинетической энергии и «подтягивает» тело. В результате средняя сила трения за период колебаний уменьшается.
При этом указано два механизма преобразования трения. Первый является следствием перехода к эффективному трению, усреднённому по ультразвуковым вибрациям, а второй обусловлен созданием смазочного слоя между трущимися поверхностями в результате микроразрушений их поверхностных слоёв.
Статья [6] посвящена экспериментальному исследованию влиянию продольных и поперечных колебаний на изменение силы трения. Металлический цилиндр 6×10 мм (алюминиевый сплав BS1474, латунь BS2874, медь BS2873-74 и нержавеющая сталь BS970) прикреплялся к ультразвуковому концентратору, имеющему резонансную частоту колебаний 20 кГц. Цилиндр прижимался к ответной поверхности (инструментальная сталь BS4659 с твёрдостью 605 HV), прикреплённой к возвратно-поступательному столу, перемещающемуся со средней скоростью 50 мм/с. В процессе эксперимента варьировалась амплитуда от 0 до 12 мкм и усилие прижима от 5,0 до 20 Н. Сила трения измерялась с помощью тензодатчика. Результаты, полученные при исследовании продольных колебаний, представлены на рис. 2.
Увеличение амплитуды колебаний приводит к значительному снижению силы трения. Наибольшее снижение достигается до амплитуды 5,0 мкм. При дальнейшем увеличении амплитуды авторы наблюдали перенос металла на контрповерхность, что изменяет условия трения, в результате чего сила трения повышается. Данный факт не учитывался при расчётах. В итоге сделан вывод, что наилучшие условия снижения трения достигаются в диапазоне от 1,0 до 5,0 мкм. Результаты исследований по влиянию поперечных колебаний показали, что сила трения снижается меньше и более плавно.
Исследования [7, 8] по влиянию колебаний на силу трения при малых скоростях относительно движения проводились по схожей схеме (рис. 3).
Колеблющийся с частотой 40…70 кГц образец из стали с пьезокольцами посередине, подключёнными к ультразвуковому генератору, перемещался по подложке из разных материалов со скоростью до 0,05 м/с.
С помощью контрольно-измерительного оборудования определялась величина силы трении при повышении амплитуды колебаний от 0 до 1,0 мкм (рис. 4).
Для всех рассмотренных материалов подложки колебания приводят к снижению коэффициента трения. При этом для значительного снижения достаточно маленькой амплитуды 0,1 мкм. С увеличением скорости скольжения коэффициент трения увеличивается.
Исключения составили образцы из резины и алюминия. При увеличении амплитуды до 1,0 мкм коэффициент трения, наоборот, возрастают.
Авторами [9] произведено сопоставление расчётных данных, основанных на законе трения Кулона, и экспериментальных данных по изменению силы трения при воздействии ультразвука. Используемая экспериментальная установка аналогична рассмотренным ранее. Принцип её работы основан на перемещении стального образца по алюминиевой направляющей с постоянной скоростью. Проведены эксперименты при параллельной ориентации колебаний и при перпендикулярной. В результате получены зависимости (рис. 5) снижения силы трения при изменении относительной скорости (колебательная скорость к скорости перемещения). При этом частота и амплитуда колебаний не указаны
Полученные измерения подтверждают факт снижения силы трения при ультразвуковом воздействии. Также сделан вывод о применимости закона трения Кулона для описания и прогнозирования характера трения в условиях колебаний.
Применение ультразвука при получении прессовых соединения
В основе процесса получения прессовых посадок с ультразвуком лежит эффект снижения силы трения под действием колебаний, что рассмотрено выше.
В патенте [10] представлен способ запрессовки вала во втулку с наложением ультразвуковых колебаний. Способ реализуется по следующей схеме (рис. 6)
Вал и втулка закрепляются на торцах концентраторов двух направленных друг на друга стержневых колебательных систем. Со стороны одной из деталей прикладывается статическая сила. Далее включаются ультразвуковые колебания в синфазном режиме для обеспечения максимального эффекта в месте сборки. Суммарная амплитуда таких колебаний составляет 4,0…5,0 мкм. Отмечено, что при реализации данной схемы сила трения при запрессовки снижается до четырех раз.
После достижения требуемого положения вала относительно втулки снимется статическое усилие и соединение выдерживается при колебаниях порядка 5,0 с. В результате действия ультразвука разрушаются оксидные плёнки и возникают мостики сварки, что обеспечивает повышение прочности соединения.
Патент [11] рассматривает запрессовку вала во внутреннее кольцо подшипника по аналогичной схеме. Притом в процессе сборки у подшипника вращают наружное кольцо. Совместное действие колебаний и вращательного движения кольца приводит к упрочнению двух колец подшипника через тела качения, что приводит к повышению долговечности подшипника на 10 % по сравнению реализации такой же схемы без колебаний.
В работе [12] рассматривается вопрос запрессовки зубков из ВК10 шарошечных долот с применением ультразвука. В качестве шарошек использовались плоские диски из стали 19ХГНМА, прошедшие механическую и термическую обработку. Экспериментальный стенд состоял из гидроцилиндра, закреплённого на станине, шток которого соединялся с магнитострикционным преобразователем ПМС 2,5-18 с концентратором из закалённой стали. Питание преобразователя осуществлялось ультразвуковым генератором УЗГ 3-4. При амплитуде колебаний 20 мкм и частоте 22000 Гц получали соединения с натягом 11 мкм. В процессе контролировались усилия запрессовки и далее распрессовки образцов (рис. 7).
Применение высокочастотных колебаний приводит к снижению усилия сборки до 20 % при одновременном возрастании прочности соединения до 5,0 %. При этом усилия сборки при ультразвуке меньше, чем при разборке соединения.
Исследования [13] посвящены получению посадок с натягом 10…20 мкм валов и втулок диаметром 25 мм при длине соединения 20 мм. Для получения соединения применялась стержневая пьезокерамическая колебательная система с амплитудой колебаний до 15 мкм. Соединяемым деталям сообщалось статическое усилие 3000 Н, которое создавалось гидропрессом. Время сборки составляло 2,0 с. В данной работе больше описывается процесс контроля параметров процесса сборки, поэтому дополнительных данных не представлено.
Отличительной особенностью работы [14] от других является то, что рассматривается процесс запрессовки без сообщения дополнительного статического усилия. В качестве образцов использовались пары иглы и корпуса распылителя форсунки двигателя КАМАЗ-740 (материал 18Х2Н4МА), разбитые на группы для получения различных величин натяга. В процессе проведения эксперимента, собираемые детали устанавливались на подпружиненное основание и поджимались торцом концентратора трёхполуволновой магнитострикционной колебательной системы. Влияние ультразвука на силу трения оценивалось по глубине запрессовки при различных амплитудах колебаний. Сравнивались расчётные значения, учитывающие только механическую составляющую ультразвукового воздействия при ударе излучателя о вал, и экспериментальные значения (рис. 8).
Экспериментальная глубина запрессовки с ультразвуком в 1,5 – 2,5 раза больше, что показывает аналогичное уменьшение силы трения. При этом отмечено, что при маленьких величинах натяга эффективны низкоамплитудные колебания, а при увеличении натяга больший эффект возникает при высокоамплитудных режимах обработки.
Процесс получения неразъёмного соединения металлических и пластиковых деталей рассмотрен в [15]. К запрессовываемой металлической детали подводились ультразвуковые колебания, и прикладывалось статическое усилие (рис. 9).
Под действием ультразвуковых колебаний в зоне контакта деталей выделяется тепло, что приводит к размягчению термопласта. Форма запрессовываемой детали подобрана так, чтобы после ведущей части, имеющий диаметр больше отверстия, была полость для затекания избыточного пластифицированного материала. После затвердевания и усадки пластмассы металлическая деталь прочно закрепляется в ней.
Заключение
Использование ультразвуковых колебаний эффективно для снижения трения при получении прессовых соединений.
Эффект снижения трения основан на двух механизмах, к которым относится переход к эффективному трению при высокочастотных колебаниях, и создание смазочного слоя при разрушении микронеровностей трущихся поверхностей.
Анализ результатов работ, посвящённых данной теме, показал значительное снижение силы трения для металлических и неметаллических деталей.
Несмотря на положительный эффект от применения ультразвуковых технологий данное направление не получило широкого распространения и нуждается в проведении дополнительных исследований.
1. Erdedi A.A. Engineering mechanics. Machine parts// Moscow: Publishing House «Higher School» 1991, 272 p. (in Russian)
2. Orlov P.N. A quick reference metal worker - 3rd ed., updated and revised/ ed. Orlova P.N., Skorokhodova E.A. // Moscow: "Mashinostroenie", 1987, 960 p. (in Russian).
3. Prikhodko V.M. Ultrasonic disassembly // Moscow: Publishing House MADI (TU), 1995, 94 p. (in Russian).
4. Fatyukhin R. I., Nigmetzyanov S. K., Sundukov S.K. Engineering process of manufacturing riveted joint using ultrasonic percussive impact / Science intensive technologies in mechanical engineering, 2019, no. 6 (96), pp. 17-21.
5. Prihod'ko V.M. Ultrasonic technologies in the pro-duction, operation and repair of transport equipment. Moscow: Tekhpoligrafcentr, 2003, 253 p.
6. Kumar V. C., Hutchings I. M. Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration // Tribology In-ternational. 2004. Vol. 37. Iss. 10. P. 833-840.
7. Teidelt E., Starcevic J., Popov V. L. Influence of ultrasonic oscillation on static and sliding friction //Tribology Letters. 2012. Vol. 48. P. 51-62.
8. Popov V. L., Starcevic J., Filippov A. E. Influence of ultrasonic in-plane oscillations on static and sliding fric-tion and in-trinsic length scale of dry friction process-es //Tribology letters. 2010. Vol. 39. P. 25-30.
9. Storck H. et al. The effect of friction re-duction in presence of ultrasonic vibra-tions and its relevance to trav-elling wave ultrasonic motors // Ultrasonics. 2002. Vol. 40. №. 1-8. P. 379-383.
10. Nikolaev V.A., Papsheva N.D., Shtrikov B.L. Method of assembling press joints of the shaft-sleeve type. Patent no. SU 1764921 A1, publ. 30.09.1992.
11. Nikolaev V.A., Shtrikov B.L., Kulikov M.A. Pres-sure coupling of spindle - hob type parts. Paent no. SU 1556858 A1, publ. 15.04.1990.
12. Batishcheva O.M., Shuvaev V.G., Papshev V.A., Ankudinov D.V. Technique and results of experimental researches the process of ultrasonic press fitting dents from cone roll BITS with use of scientific researches automated system / Izvestia of Samara Scientific Center of the Rus-sian Academy of Sciences, 2011, no.1-2, pp. 415-417.
13. Shuvaev V.G. Diagnostics of press joints in ultra-sonic assembling // Assembly in mechanical engineering, instrument-making.2007, no. 1. pp. 4-7.
14. Sundukov S.K. Improvement of operational prop-erties of parts permanent joints with ultrasound technolo-gies use/ Assembly in machine-building, instrument-making. 2022, no. 1. pp. 7-13.
15. Volkov S.S., Rozanov D.S., Stankevich I.V. De-velopment and research of the main features of joining plastics and metals / Izvestiya vuzov. Mashinostroenie, 2020, no. 3 (720). pp. 15-22.
