Описание
Сборка резьбовых соединений (демоверсия)
Приемы использования резьбовых соединений
Сборка с использованием резьбовых соединений, основными элементами которых являются болты, винты, гайки и шпильки для получения неподвижных, разъемных соединений получила широкое развитие, как в машиностроении, так и в других отраслях промышленности благодаря своей простоте, универсальности и что особенно важно в условиях серийного производства возможности механизации и автоматизации процесса с использованием типовых устройств и агрегатов. Дешевизна использования перечисленных крепежных элементов объясняется, прежде всего, тем, что уже около 50 лет они изготавливаются в массовом количестве на холодно – высадочных автоматах, обеспечивающих гарантированное качество и высокую производительность (100 – 300 шт./мин). Кроме того, перечисленные крепежные элементы обеспечивают надежное крепление соединяемых деталей в различных условиях их эксплуатации, особенно при их контровке, способов выполнения которой существует большое количество. Однако для надежной работы резьбового соединения в условиях эксплуатации, помимо выполнения прочностных расчетов, позволяющих определить параметры крепежных элементов, обеспечивающие восприятие и передачу действующих нагрузок, необходимо выполнить ряд требований к конструкции соединяемых деталей и месту расположения крепежных элементов. В основе этих требований лежит условие, заключающееся в том, что болты, винты и шпильки удовлетворительно работают на разрыв, но при этом имеют низкое сопротивление изгибу и срезу. Отсюда и вытекают требование к конструкции соединяемых крепежными элементами деталей, заключающееся в разгрузке крепежа от изгибных и срезающих нагрузок. Рассмотрим основные приемы, обеспечивающие создание требуемых условий работы крепежных элементов.
Рис. 1. Способы разгрузки болтового соединения
от изгибающих и срезающих нагрузок.
На Рис. 1а показано болтовое соединение двух деталей обеспечивающее его удовлетворительную работу при нагрузке Р, направленной параллельно осям болтов, при наличие которого они работают на разрыв. Однако при наличии дополнительной нагрузки Q, направленной перпендикулярно осям болтов, для исключения работы болтов на изгиб и срез в соединение деталей вводится торцевая шпонка (см. Рис. 1б). На Рис. 1в показана конструкция фланцевого соединения которое воспринимает нагрузки Р и Q, направленные параллельно и перпендикулярно оси болтов, и в котором для исключения работы болтов на изгиб и срез в соединение деталей фланец выполняется с центрирующим пояском, а стенка корпуса к которому от крепится с центрирующим отверстием. Если на фланцевое соединение действует нагрузка Q направленная перпендикулярно осям болтов и крутящий момент М, то для исключения работы болтов на изгиб и срез в соединение деталей помимо болтов дополнительно вводятся штифты (см. Рис. 1г).
Рис. 2. Способы болтового крепления кронштейна
испытывающего изгибные нагрузки.
На Рис. 2а показан вариант крепления кронштейна, посредствам двух болтов, расположенных по оси отверстия кронштейна, к которому приложена нагрузка Q. В этой конструкции, при отсутствии в кронштейне фиксирующего элемента (см. Рис. 148в) стержни болтов работают на срез, что недопустимо. Кроме того болты работают на растяжение воспринимая нагрузку N, равную: N = (Q∙l )/2a, а также под воздействием внецентренной нагрузки N, воспринимают изгибный момент, который равен: M = 0,5N•b. Поэтому такой вариант болтового крепления кронштейна, при данной схеме силового нагружения, применять не рекомендуется. На Рис. 2б приведена конструкция соединения кронштейна с плитой, предусматривающая наличие в последнем центрирующего пояска и центрирующего отверстия в плите, которые полностью исключают работу болтов на срез, а измененная форма основания кронштейна, места расположения и количества болтов позволяет значительно уменьшить действующую на них разрывную нагрузку, которая при данной схеме нагружения равна: N = (Q∙l )/(2a1 ) при том, что a1>a. Поэтому такой вариант болтового крепления кронштейна к плите гарантирует его надежную работу, при данной схеме нагружения.
Рис. 3. Размеры мест под ключ оговариваемые ГОСТ 13682 – 80, которые обеспечивают затяжку болтов и гаек стандартными ключами.
Для обеспечения сборки резьбовых соединений, в частности при использовании болтов, гаек и шпилек необходимые размеры мест под установку ключа, показанные на Рис. 3 необходимо выдерживать не менее оговоренных ГОСТ 13682 – 80
Рис. 4. Размещение крепежных
элементов в нише корпусной детали.
Если при сборке корпусной детали например с рамой или тумбой в ее конструкции предусмотрены ниши для размещения крепежных элементов, гаек или головок болтов, размеры такой ниши должны обеспечивать возможность беспрепятственной установки этих крепежных элементов (см. Рис. 4а,в), при этом выполнение размеров ниши такими как показано на Рис. 4б недопустимо, поскольку требует для установки крепежных элементов осуществлять, необоснованно увеличивающий трудоемкость операции сборки, подъем корпусной детали.
Крутящий момент и усилие, необходимые для
затяжки резьбовых соединений
Основным условием надежной работы резьбового соединения является создание не-обходимого усилия и момента при его затяжке, который для ответственных резьбовых соединений должен обязательно указываться в технических требованиях сборочного чертежа узла или механизма. В общем случае момент затяжки (вращающий момент, прикладываемый к ключу) равен сумме моментов трения непосредственно в резьбе и моменту трения опорной поверхности гайки или головки болта и определяется по следующей формуле:
Для крепежных элементов с метрической резьбой, имеющей угол профиля 60 град формула для расчета момента затяжки принимает следующий вид:
Коэффициенты трения в резьбе и на опорной поверхности зависят от вида покрытия крепежных элементов и наличия смазки при сборке. При этом их величина колеблется:
При этом минимальная величина момента затяжки должна обеспечивать плотность (нераскрытие) стыка резьбовых элементов (например, болта и гайки, или шпильки и гайки), а максимальная величина не должна превышать прочность резьбового соединения. Поэтому при расчете величины момента затяжки резьбового соединения крепежных деталей изготавливаемых из:
Величины моментов затяжки наиболее часто применяемых в машиностроении резьбовых соединений приводятся в работе [2]. При затяжке резьбового соединения путем приложения внешнего крутящего момента в стержне болта, вследствие воздействия двух силовых факторов (Q и М), возникает сложное напряженное состояние, характеризуемое величиной нормальных σ и касательных τ напряжений соотношение между величиной которых в зоне упругих деформаций определяется следующей зависимостью:
При этом усилие затяжки с учетом напряженного состояния болта определится по следующей формуле:
Метод сборки резьбовых соединений путем приложения внешнего крутящего момента прост и универсален, поскольку позволяет использовать традиционный инструмент и оснастку для ручной, механизированной и автоматизированной сборки, обеспечивая при этом получение необходимой производительности процесса. Основным его недостатком является возникновение в процессе затяжки в болте напряжений кручения, которые снижают несущую способность резьбового соединения.
Ручной инструмент для закручивания болтов, винтов, гаек и шпилек был рассмотрен в статье «Сборочный инструмент», поэтому в этой статье будет рассмотрена оснастка позволяющая механизировать процесс сборки резьбовых соединений. В основном это устройства оснащенные приводом позволяющим увеличить скорость вращение крепежных элементов и момент затяжки.
Стопорение деталей резьбовых соединений.
В процессе эксплуатации машин и оборудования возникают знакопеременные нагрузки, в том числе инерционные, которые оказывают вредное влияние на резьбовые соединения, вызывая их ослабление и даже полное откручивание. Самопроизвольное откручивание крепежных деталей в процессе работы машины или оборудования при-водит не только к поломкам деталей механизмов (например, ослабление крепления пуансонов на ползуне холодно – высадочного автомата), но может создать и аварийную ситуацию (например, ослабление гаек крепления колеса движущегося автомобиля). Поэтому в ответственных резьбовых соединениях помимо их затяжки с контролируемым моментом дополнительно производится стопорение крепежных деталей (болтов, гаек, винтов и шпилек).
Существует большое количество способов стопорения крепежных деталей, но все их можно свести к следующим вариантам:
– постановка шайбы гровер под головку болта, винта или гайки,
– использование контргайки,
– использование отгибных пластин,
– стопорение обвязкой проволокой,
– применение упругих и храповых шайб и пластинчатых сопоров,
– использование самоконтрящихся гаек,
– использование покрытий и контровок.
Рассмотрим несколько примеров выполнения перечисленных вариантов стопорения крепежных деталей.
В данном разделе полной версии статьи приведены примеры
основных способов контровки крепежных деталей (см. таб.)
Механизированный инструмент для затяжки резьбовых соединений
Для механизации процесса затяжки основных видов резьбовых соединений (болтов, винтов, гаек и шпилек) используются гайковерты, которые по типу привода можно разделить на: пневматические, гидравлические и электрические. На Рис. 16 показаны пневматические гайковерты различного исполнения.
В данном разделе полной версии статьи приведены примеры
вышеперечисленных гайковертов (см. таб.)
В условиях серийного производства при сборке узлов и агрегатов, в которых предусматривается соединение входящих в них деталей посредствам большого количества крепежных деталей, причем, зачастую одного типоразмера, для механизации и автоматизации этого процесса эффективно используются многошпиндельные гайковерты и станки автоматы и полуавтоматы, оснащенные многошпиндельными резьбозавертывающими головками. Использование многошпиндельных гайковертов и резьбозакручивающих головок позволяет существенным образом повысить производительность сборочных работ с использованием крепежных деталей, а их оснащение муфтами предельного момента или устройствами для контроля момента затяжки резьбового соединения дает возможность гарантировать стабильность затяжки всех крепежных деталей в комплекте, что в ряде случаев является неотъемлемым условием обеспечения работоспособности собираемого узла или механизма.
Рис. 20. Многошпиндельные гайковерты
На Рис. 20 показаны современные многошпиндельные гайковерты применяемые для сборки резьбовых соединений в различных отраслях машиностроительного производства. Многошпиндельные гайковерты бывают двух видов, гайковерты состоящие из нескольких стандартных шпинделей с пневматическим или электромеханическим приводом, которые установлены в корпусе, закрепленном неподвижно на раме, или подвижно на тросовой подвеске и гайковерты имеющие оригинальную. Примеры различных вариантов конструкции многошпиндельных гайковертов приведены в статье «Универсальные и специальные гайковерты»
Настройка гайковертов
Эффективное использование гайковертов, особенно при затяжке ответственных соединений невозможно без настройки и последующего контроля развиваемого ими крутящего момента. Для настройки (тарирования) и последующего контроля крутящего момента развиваемого гайковертом используются устройства, состоящие из блока нагружения 1 и измерительного блока 2 связанных между собою электрическим кабелем 3 (см Рис. 21а) . Принцип работы этих устройств построен на том, что имеющаяся в блоке нагружения система тензорезисторов, соединенных по мостовой схеме, при нагружении моментом развиваемым гайковертом вырабатывает сигнал рассогласования, который передается из блока нагружения 1 посредствам электрического кабеля 3 в измерительный блок 2 и там усиливается и выводится на экран в определенных единицах крутящего момента.
Рис. 21. Общий вид устройства для настройки гайковертов и конструкция блока нагружения
Блок нагружения 1 показанный на Рис. 21б содержит корпус 5 с крышками 6 и 7, втулку 8 и центральным отверстием 9 предназначенным для установки ключа настраиваемого гайковерта. В корпусе 5 перпендикулярно его вертикальной оси установлена стойка 10, на которой одним концом закреплен упругий элемент 11 с наклеенным на него тензорезистором 12, электрически соединенным в измерительный мост. На торце втулки 8 закреплен одним плечом Г – образный рычаг 13, второе плечо которого жестко связано со свободным концом упругого элемента 11. Кроме того в корпусе 5 перпендикулярно его вертикальной оси с возможностью осевой фиксации перемещения установлены шпильки 14 с гайками 15, которые наклонены под углом 45° к оси упругого элемента 11, а оси шпилек 14 перпендикулярны друг другу. На конце каждой шпильки 14 закреплены дополнительные упругие элементы 16, каждый из которых предназначен для взаимодействия с Г – образным рычагом 13, жестко связанного с упругим элементом 11. На стенке корпуса 5 закреплен разъем 20, который электрически связан с тензосопротивлениями 12 и посредствам которого блок нагруже6ния соединяется электрическим кабелем 3 с измерительным блоком 2.
Предварительно блок нагружения настраивается на заданный диапазон измерения крутящих моментов. Для этого ослабляют гайки 15 на шпильках 14 и вращением послед-них поочередно перемещают дополнительные упругие элементы 16, закрепленные на них, до их соприкосновения с плечом Г – образного рычага 13 и далее создают требуемый одинаковый изгиб дополнительных упругих элементов 16 таким образом, чтобы основной упругий элемент 11 с тензорезисторами 12 находился в недеформированном состоянии. После этого шпильки 14 фиксируются гайками 15. Затем в профильное отверстие 9 втулки устанавливается выходной вал резьбозавертывающего инструмента, например динамометрического ключа и прикладывается усилие к его рукоятке. Одновременно фиксируются показания на экране измерительного блока соответствующие развиваемому крутящему моменту, прикладываемому динамометрическим ключом к блоку нагружения. При настройке или контроле крутящего момента развиваемого гайковертом его выходной вал вставляют в отверстие 9 втулки 8, после чего включают привод гайковерта и фиксируют показания на экране измерительного блока.
Условия собираемости резьбовых соединений
Для обеспечения стабильного процесса соединения резьбовых деталей при их сборке необходимо в первоначальный момент сопряжения обеспечить их точное взаимное расположение, как в части соосности, так и в части параллельности осей резьбовых поверхностей. При выполнении наживления гайки на болт или шпильку, а также болта, винта и шпильки в корпусную деталь вручную этот процесс, как правило, не вызывает особых трудностей в силу адаптивности рук сборщика, чувствующего когда происходит сочленение резьбовых поверхностей соединяемых крепежных деталей и только после этого прилагаются необходимые для закручивания усилия. При автоматизации процесса сборки резьбовых соединений автомат (полуавтомат) оснащается приспособлениями или встроенными устройствами для обеспечения взаимного положения собираемых крепежный деталей гарантирующего их стабильное наживление, последующее закручивание и затяжку. Установим требования по точности взаимного расположения собираемых крепежных деталей гарантирующие их стабильную собираемость.
Рис. 22. Размерные цепи А, Б, β, определяющие несоосность и непараллельнось осей собираемых гайки и шпильки.
На Рис. 22 показаны размерные цепи А, Б и β, определяющие собираемость гайки устанавливаемой на шпильку, предварительно закрученную в резьбовое отверстие корпусной детали. Размерная цепь А состоит из следующих звеньев:
– A1, несимметричность шестигранника относительно оси резьбового отверстия гайки (нормируется ГОСТ1759.1 – 82)
– A2, зазор между отверстием ключа и гранями гайки (звено компенсатор)
– A3, расстояние от оси ключа до вертикальной базовой плоскости сборочного оборудования,
– A4, расстояние от вертикальной базовой плоскости сборочного оборудования до оси резьбового отверстия в корпусной детали,
– A5, несосность гаечного и ввинчиваемого концов шпильки (нормируется ГОСТ 1759.1 – 82)
– AΔ, исходное – замыкающее звено размерной цепи, определяющее несоосность гайки со шпилькой по оси X.
Размерная цепь Б, по составу входящих в нее звеньев аналогична размерной цепи А и определяет несоосность гайки со шпилькой по оси Y
Размерная цепь β, определяющая непараллельность осей гайки и шпильки, состоит из следующих звеньев:
– β1, зазор между отверстием ключа и гранями гайки (звено компенсатор)
– β2, непараллельность оси отверстия ключа к вертикальной базовой плоскости сборочного оборудования,
– β3, неперпендикулярность вертикальной и горизонтальной плоскостей сборочного оборудования (нормы точности оборудования),
– β4, неперпендикулярность резьбового отверстия к базовой плоскости корпусной детали,
– βΔ, исходное – замыкающее звено размерной цепи, определяющее непараллельность осей гайки и шпильки.
Рис. 23. Размерные цепи А, Б и β, определяющие собираемость болта с корпусной деталью при его закручивании в резьбовое отверстие.
На Рис. 23 показаны размерные цепи А, Б и β, определяющие собираемость болта с корпусной деталью при его закручивании в резьбовое отверстие. По составу входящих в нее звеньев они аналогичны размерным цепям, показанным на Рис. 22 с той лишь разницей, что A1(Б1) являются несимметричностью стержня болта относительно его головки и нормируются ГОСТ1759.1 – 82.
Условия собираемости обоих типов резьбовых соединений определяются следующими неравенствами:
Допустимая величина несоосности крепежных деталей [δс], гарантирующая их собираемость определяется зазором в резьбовом соединении, который зависит от выбранной посадки, а коэффициент учитывающий наличие фасок в собираемых крепежных элементах равен :
Допустимая величина непараллельности осей крепежных деталей [δα] в угловом измерении, гарантирующая их собираемость может быть рассчитана исходя из схемы, показанной на Рис. 24.
Рис. 24. Схема для расчета предельно допустимой величины непараллельности осей собираемых крепежных деталей.
Анализ размерных цепей показанных на Рис. 205 и 206 и сравнение величины их исходных – замыкающих звеньев с допустимой величиной несоосности и непараллельности, осей крепежных деталей гарантирующей их собираемость свидетельствует о том, что выполнить их сборку в автоматическом режиме методом полной взаимозаменяемости практически невозможно. Причиной этого является, прежде всего, невозможность ужесточения следующих звеньев размерных цепей: A3, A4, Б3, Б4, β3, β4, ϒ3, ϒ4.
Поэтому единственным способом осуществления автоматической сборки резьбовых соединений является компенсация погрешностей взаимного расположения собираемых крепежных деталей. Наиболее простым способом компенсации погрешностей взаимного расположение собираемых крепежных деталей, является введение на торце резьбовых поверхностей фасок. Однако достаточно часто несоосность и непараллельность собираемых крепежных деталей может быть настолько велика, что наличие рассмотренных фасок компенсировать их не может. В этом случае применяются различные устройства и приспособления для осуществления сборки крепежных деталей методом автопоиска. Метод автопоиска заключается в том, что одна из собираемых деталей, прижатая в осевом направлении, перемещается в плоскости перпендикулярной ее оси по определенной траектории, предусматривающий в определенной точке совпадение ее оси с осью второй собираемой детали. При этом движущаяся в процессе автопоиска деталь может перемешаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях или двигаться по различного вида спиралям и кривым линиям (см работу [35]). В приспособлениях для осуществления процесса автопоиска для получения требуемой траектории движения детали может использоваться самый различный привод: механический, пневматический, гидравлический, электромагнитный, вибрационный. Рассмотрим несколько конструкций приспособлений для сборки резьбовых соединений методом автопоиска (сканирования).
Контроль затяжки резьбовых соединений
Как уже говорилось, одним из основных условий надежной работы резьбового соединения является его обязательное закручивание с приложением определенного момента затяжки, который гарантирует нераскрытие при эксплуатации витков резьбы болта и гайки. При ручной сборке неответственных резьбовых соединений для их затяжки с требуемым моментом используются предельные ключи, конструкция и виды которых были рассмотрены в статье “Сборочный инструмент”. При механизированной сборке резьбовых соединений с использованием одношпиндельных и многошпиндельных гайковертов, требуемый момент затяжки обеспечивается за счет их оснащения регулируемыми предельными муфтами, рассмотренными ранее в данном разделе.
При сборке особенно ответственных узлов и механизмов машин обязательно выполняется контроль момента или усилия затяжки резьбовых соединений. Существуют три способа контроля затяжки резьбового соединения, это:
– по крутящему моменту,
– по удлинению болта (шпильки)
– по углу поворота гайки.
При контроле по крутящему моменту резьбовых соединений малых и средних типоразмеров (от М4 до М48) используются динамометрические ключи рассмотренные в статье “Сборочный инструмент”. Контроль затяжки резьбовых соединений больших типоразмеров производится по удлиннению болта или шпильки, который основан на том, что сила затяжки и удлиннение болта связаны прямо пропорциональной зависимостью, выражающейся следующей формулой: δб = λб Qз
Где:
– δб, удлинение болта,
– λб, податливость болта.
Поэтому измеряя величину удлинения затягиваемого болта можно расчетным путем легко определить усилие и момент его затяжки, или производить затяжку до того, пока болт не удлинится на требуемую величину, что будет свидетельствовать о его затяжке с требуемым моментом. Рассмотрим несколько примеров приспособлений для контроля усилия затяжки резьбовых соединений большого типоразмера выполняемого по величине удлинения болта или шпильки.
Рис. 25. Конструкция приспособления для контроля усилия затяжки резьбового соединения по замыканию электрической цепи при удлинении стержня болта
на требуемую величину
На Рис. 25 показана конструкция приспособления для контроля усилия затяжки резьбового соединения по замыканию электрической цепи при удлинении стержня болта на требуемую величину. Оно состоит из ступенчатой втулки 5 с нижним резьбовым концом, в верхней части которой установлен стакан 6 из электроизоляционного мате-риала, в центральном отверстии которого расположены шток 7 с фрикционным фиксатором, выполненным в виде резинового кольца 8, контактная головка 9, подпружиненная пружиной 10, резьбовая крышка 11 и съемный контакт 12, подключенный к электрической цепи содержащей источник тока 13, кнопку включения 14, сигнальную лампочку 15 и второй контакт 16 подключаемый к соединяемым деталям 1.
Работает контрольное приспособление следующим образом. Болтовое соединение, состоящее из болта 2, шайбы 3 и гайки 4 предварительно собирается и гайка 4 накручивается до упора в верхнюю плоскость соединяемых деталей 1. После этого втулка 5 накручивается на гайку 4 до контакта головки 9 с торцем верхнего конца болта 2, что определяется по загоранию лампочки 15 (таким образом, фиксируется начальная точка, от которой производится затяжка гайки 4). Затем шток 7 выкручивается на определенную величину, определенную экспериментально и зависящую от величины заданного усилия затяжки резьбового соединения, которая регулируется по круговым шкалам, нанесенным на штоке 7 и втулке 5. Затем производится затяжка гайки 4, в результате которой стержень болта 2 удлиняется, и, вступая в контакт с головкой 9, замыкает электрическую цепь. Загорание при этом сигнальной лампочки 15 свидеельствует от затяжки резьбового соединения с требуемым усилием. После этого втулка 5 приспособления скручивается с затянутой гайки 4.
В данном разделе приведены примеры конструктивного
исполнения приспособлений для контроля
затяжки резьбовых соединений (см. таб)
В полной версии статьи содержится 23 страницы
текста и 27 рисунков
В статье использована информация из соответствующего раздела работы автора “Проектипрование сборочной оснастки и оборудования” изданная в 2014 г
ЛИТЕРАТУРА
1. Игнатьев Н. П. Справочно – методическое пособие. Проектирование сборочной оснастки и оборудования. Азов 2014 г.
2. Новиков М. П. Основы технологии сборки М.: Машиностроение 1980г
3. Орлов П Н Основы конструирования Справочно – методическое пособие, книга 2 М.: Машиностроение 1972г.
Для приобретения полной версии статьи добавьте ее в корзину
Стоимость полной версии статьи 150 руб
