Разработка и исследование устройств вибронапрессовки деталей

Актуальность теш. Современное машиностроение в качестве первостепенных задач выдвигает проблему повышения надежности и долговечности работы выпускаемых станков и приборов различного назначения, которые неразрывно связаны с вопросами увеличения точности обработки и, в конечном итоге, качества сборки. Качественная сборка подшипникового узла во многом определяет эксплуатационные показатели станка или прибора.

Известные методы и средства, используемые для сборки подшипниковых узлов, недостаточно полно решают задачи качества на-прессовки из-за большого усилия, развиваемого при напрессовке статическим воздействием. Существующие термические методы и средства не полностью обеспечивают качественную напрессовку подшипников, в некоторых случаях даже и неприменимы. Они, как правило, трудоёмки, дорогостоящи и сравнительно энергоёмки. Поэтому существует реальная необходимость в разработке и создании методов и устройств для напрессовки прецизионных шарикоподшипников на вал или корпус прецизионных станков и приборов.

Кал известно, в технических задачах для снижения усилий сборки деталей, сопрягаемых с натягом, и повышении прочности сопряжения большая роль отводится вибрациям, которые снижают силы трения между сопрягаемыми поверхностями.

Известные работы посвященные исследованию применения вибраций при сборке деталей с гарантированным натягом имеют ряд недостатков, как в техническом, так и в теоретическом решении. Это связано с тем, что применяемые средства имеют низкий технический уровень, приспособлены из устройств другого назначения, и как правило имеют большие массогабариты, что исключает их применение в автоматизированных работах. Теоретические исследования напрессовки недостаточны, проведены на основе экспериментов, неполностью рассматриваются факторы, влияющие на протекание процесса напрессовки. Однако, исследования влияния вибраций, уменьшающих силу напрессовки, повышающих производительность, качество и прочность сборки узлов, детали которых сопрягаются с гарантированным натягом, весьма ограничены. Это затрудняет возможности создания устройств вибронапрессовки, что является актуальной и необходимой задачей.

Цель работы — разработка и исследование вибрационного метода и устройств напрессовки прецизионных деталей. Для осуществления этой цели предусматривается: построение и исследование математических моделей процесса вибронапрессовки с учетом статической и динамической характеристики упругопластических деформаций в контакте сопряжениясоздание и исследование новых, оригинальных вибрационных устройств вибронапрессовки и разборки деталейразработка методов определения основных закономерностей и характеристик технологического процесса вибронапрессовки натурных изделий.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования динамики процесса вибронапрессовки основаны на теории нелинейной механики и теории колебательных систем. Составленные математические модели решены численно на ЭВМ. Экспериментальные исследования динамики напрессовки деталей с натягом проведены на созданных экспериментальных стендах в НИС «Вибротехника» КПИ с применением измерительной и регистрирующей аппаратуры отечественного и зарубежного производства.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые созданы и исследованы математические модели процесса вибронапрессовки, с учетом статической и динамической характеристики упругопластических деформаций, возникающих при напрессовке в контакте сопряженияопределены области существования и устойчивости установившихся режимов движения и основные зависимости вибронапрессовки от параметров вибрацийвыявлены основные характеристики и параметры устройств, определяющие процесс вибронапрессовкиразработаны методы определения основных закономерностей и характеристик технологического процесса вибронапрессовкисоздан оригинальный способ для вибронапрессовки деталей типа вал-втулка.

Практическая ценность работы. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований созданы оригинальные устройства для вибронапрессовки и демонтажа подшипниковых узлов, позволяющие снизить усилие напрессовки до 10 раз с повышением производительности, качества и прочности сборки. Разработана необходимая техническая документация для мелкосерийного производства вибрационных исполнительных устройств. Созданы малогабаритные устройства, работающие в любом пространственном положении, предназначенные для сборки-разборки разнотипных деталей на автоматизированных процессах с использованием робототехники.

Реализация работы. Результаты работы используются на предприятиях точного машиностроения и приборостроения. Общий экономический эффект от практического использования устройств вибросборки прецизионных деталей на промышленных предприятиях нашей страны составляет 100 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсувдались на: «Всесоюзной конференции по вибрационной технике», Кутаиси, 1981 г.- научно-техническом семинаре «Теория и практика применения виброзагрузочных устройств и роботизация техпроцессов», Рига, 1982 г.- конференции «Разработка, исследование и внедрение прогрессивных технологических процессов механосборочного производства», Севастополь, 1982 г.- II Всесоюзном съезде по теории машин и механизмов, Одесса, 1982 г.- Всесоюзной конференции «Технологические пути экономии трудовых и материальных ресурсов и интенсификация производства в приборостроении», Суздаль, 1983 г.- республиканских научно-технических конференциях «Развитие технических наук в республике и использование их результатов» и «Автоматизация и механизация производственных процессов и управления», Каунас, 1980;1983г.г.

Публикации. Основное содержание работы и результаты выполненных исследований опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 3 авторских свидетельствах СССР.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, приложения и изложена на 168 страницах основного текста, включая 79 рисунков на 57 страницах.

Во введении обоснована актуальность создания метода и средств вибронапрессовки, дано краткое содержание всех глав диссертации и сформулирована цель работы.

В первой главе дан подробный анализ основных методов и средств вибросборки деталей с натягом. Рассматриваются конкретные технические решения вибросборки с натягом: используемые источники вибраций, методика приложения вибраций, напрессовывающего усилия, способы крепления напрессовываемых деталей к источнику вибраций. Анализируются источники вибраций, их преимущества, недостатки с целью подбора наилучшего варианта. Выявлены недостатки методов и средств вибросборки, возможные пути их совершенствования для снижения усилий напрессовки, энергоемкости, повышения производительности и качества сборки точных узлов станков и приборов. Дается краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований по уменьшению усилия напрессовки. Проведена всесторонняя классификация способов вибросборки деталей. Результаты анализа обобщены и сформулированы задачи работы.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований динамических моделей вибронапрессовки подшипников на вал. На основе принятых моделей построены нелинейные уравнения, описывающие процесс вибронапрессовки, где учитывается упруго-пластические деформации, возникающие в процессе напрессовки. Проведены расчеты и исследования характеристик процесса вибронапрессовки: скорости напрессовки, энергии, затрачиваемой в процессе напрессовки, неравномерности скорости хода в установившемся режиме движения, силы сопротивления срезанию-смятию при виб-ронапрессовке в зависимости от параметров возмущения. Определено влияние силы радиального давления на характеристики процесса вибронапрессовки. Проведен анализ результатов теоретических исследований .

В третьей главе изложены результаты разработки и исследования устройств для вибросборки деталей. Приведены некоторые подсчеты электромагнитного вибровозбудителя разработанной конструкции. Разработана конструкция оригинального устройства напрессовки и демонтажа подшипников, включающие источник питания и управления режимами вибронапрессовки. Представлены результаты экспериментальных исследований созданного электромагнитного вибровозбудителя механических колебаний с целью выявления технически качественных показателей. Приведены амплитудно-частотные, силовые характеристики вибровозбудителя, различные зависимости развиваемых ускорений, усилия, потребляемой мощности от воздушного зазора и токов питания. Обоснованы разработка и создание блока питания и управления вибровозбудителем. Дана принципиальная схема БПУВ и его конструктивные особенности. Рассматривается работа.

БПУВ с вибровозбудителем и управление режимами вибронапрессовки. Приведены основные технические характеристики созданных устройств вибронапрессовки и демонтажа подшипников.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования процесса вибронапрессовки подшипников на вал с гарантированно заданным натягом. Экспериментальные исследования выполнены на основе созданных устройств вибронапрессовки. Разработан ряд специальных установок, позволяющих снять необходимые динамические характеристики процесса вибронапрессовки. Получены зависимости усилия напрессовки, скорости напрессовки от натяга сопряжения при различных возмущающих параметрах. Исследовано влияние амплитуды и частоты вибраций на снижение силы постоянного прижатия и повышения скорости при вибронапрессовке. Определены зависимости усилий напрессовки при перемещении сопрягаемых деталей в статической и вибрационной напрессовке. В результате проведенных исследований разработан стенд для исследования колебаний и деформаций сопрягаемых деталей методом голо-графической интерферометрии с применением численного метода для анализа и расшифровки интерферограмм упругих колебаний вибровоз-бузкдаемого вала при напрессовке подшипника. Представлена качественная картина распределения и распространения деформаций при вибронапрессовке. Приведен анализ экспериментальных результатов и теоретических расчетов.

В приложении представлены акты и справки об использовании результатов работы в промышленности.

I. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРОНАПРЕССОВКИ ДЕТАЛЕЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

I.I.

Введение

.

В настоящее время в машиностроении и приборостроении технологический процесс сборки соединений с гарантированно заданным натягом во многих случаях осуществляется напрессовкой, с использованием разных прессов [ЗЗ], или предварительно термическим воздействием на детали путем охлаждения охватываемой, или нагрева охватывающей или обоих одновременно [l5, I, <Г]. Применение таких методов связано: в первом случае с повреждением, закусыванием сопрягаемых поверхностей, а в термических — с изменением механических характеристик сопрягаемых деталей. В некоторых случаях такие методы неприменимы или нежелательны при сборке прецизионных, особо точных узлов и приборов.

Стремление обеспечить качество, высокую точность сборки и долговечности собранных соединений и узлов приводит на практике к изыскиванию новых перспективных методов и средств, в том числе вибрационных.

Ниже приводится обзор и анализ известных методов и средств вибрационной сборки деталей. Выявлены их положительные стороны, преимущества и недостатки. Представлен обзор и критический анализ существующих работ и исследований методов и средств вибрационной сборки с гарантированно заданным натягом.

Обоснована необходимость дальнейших исследований по созданию нового метода и средств вибрационной сборки. Сформулированы задачи, решенные в диссертации.

4.5. Выводы.

1. Установлено, что с применением вибрационных устройств на резонансных частотах порядка 180−500Гц достигается повышение производительности до 2 раз с повышением точности и прочности собранного узла.

2. Определено, что усилие вибронапрессовки снижается до 10 раз.

3. Установлено методом численного анализа голографических интерферограмм, что при вибронапрессовке происходит волновое распространение деформационных полос по радиальной поверхности вала и подшипника, снижающих усилие напрессовки, повышающих прочность, точность и производительность сборки.

4. Метод численного анализа голографических интерферограмм позволил изучить волновые процессы, возникающие на радиальной поверхности вала и подшипника, и подтвердить эффективность процесса вибронапрессовки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования вибрационных методов и средств напрессовки деталей, предложены новые конструкции устройств вибронапрессовки и демонтажа, которые, в отличие от ранее известных, обладают более высокими техническими, конструктивными характеристиками. Для созданных оригинальных конструкций устройств вибронапрессовки разработана вибротехнология, гарантирующая достижение более высокой производительности сборки и обеспечивающая требуемые качественные показатели.

2. Теоретические исследования процесса вибронапрессовки проведены на основе созданных математических моделей с учетом статической и динамической характеристики упругопластических деформаций в контакте сопряжения. На основе решения систем составленных дифференциальных уравнений численными методами, выделены области существования установившихся режимов движения. Определено, что скорость вибронапрессовки в установившихся режимах движения зависит от амплитуды и частоты возмущающих вибраций. При этом, выявлено, что максимальное снижение усилия вибронапрессовки достигается в области резонансных частот виброустройств. Теоретическими исследованиями определены динамические и конструктивные параметры устройств вибронапрессовки.

3. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана методика проектирования, что позволило создать оригинальные устройства вибронапрессовки и демонтажа подшипников, отличающиеся от ранее известных устройств уменьшенными массогабаритными параметрами, повышенными силовыми технологическими характеристиками в широкой полосе частот. Разработан оригинальный способ сборки деталей вибронапрессовкой, заключагощийся в вибровоздействии продольно-крутильными колебаниями, в частности, синфазными, с заданым соотношением продольных и крутильных составляющих амплитуд.

4. Предложена методика и разработаны устройства для экспериментального исследования основных закономерностей и характеристик технологического процесса вибронапрессовки натурных изделий. Установлено, что данный метод снижает усилие вибрационной напрессовки до 10 раз по сравнению со статической напрес-совкой. Определено, что скорость и прочность сопряжения при вибронапрессовке повышается до 2 раз. При этом достигнуто значительное повышение точности вибросборки. Эффективность процесса вибронапрессовки подтверждена экспериментальными данными и методом численного анализа голографических интерферограмм.

5. Результаты исследований и осуществленные на их основе разработки устройств вибронапрессовки позволяют широко использовать вибротехнологию в различных сборочных-разборочных работах на автоматизированных поточных линиях в точном машиностроении и приборостроении с применением робототехники.