Погрешности, возникающие при затяжке резьбового соединения

Резьбовые соединения занимают особое место в конструкциях и технологии производства машин. На их долю приходится до 80% общего количества применяемых соединений, трудозатраты на сборку резьбовых соединений составляют до 10% от общей трудоемкости изготовления изделия. Из-за некачественной сборки резьбовых соединений в эксплуатации до 10% рабочего времени тракторного агрегата и до 40% времени техобслуживания автомобиля может затрачиваться на проверку и подтяжку крепежа.

Качество сборки резьбовых соединений зависит от правильной затяжки болтов и гаек, точности изготовления резьбы, чистоты и перпендикулярности торца болта или гайки и бобышки под них, определяющих величину трения на поверхности соединяемых деталей.

Правильная последовательность закрепления винтов или гаек на шпильках основывается на принципе сокращения упругих деформаций сопрягаемых деталей в направлении от середины к краям или, другими словами, на принципе т.н. "располовинивания" погрешностей. Для этого вначале необходимо закрепить винты или гайки, расположенные на пересечении осей симметрии сопрягаемых поверхностей деталей, затем, в направлении осей симметрии (крест-накрест), переходить постепенно к винтам, расположенным на наиболее удаленных расстояниях.

При монтаже тонкостенных деталей они часто деформируются, что приводит к искажению геометрической формы, особенно в тех случаях, когда соединение осуществляется с натягом. В таких соединениях охватываемая деталь имеет больший наружный размер, чем размер отверстия в охватывающей детали, в результате в материалах соединенных деталей возникают напряжения и силы трения, препятствующие их сдвигу. Вследствие натяга на поверхностях контакта возникают давления, определяющие характер деформирования охватываемой и охватывающей деталей.

Существует несколько способов затяжки резьбовых соединений:

• затяжка до определённого момента,
• затяжка до определённого угла,
• затяжка до предела упругости,
• затяжка в области пластических деформаций и другие.

Основным показателем качества сборки резьбовых соединений является точность контроля усилия затяжки, которая определяет равномерность и стабильность затяжки групповых соединений, являющихся основными в автотракторостроении. Усилие затяжки создает определенное контактное напряжение на стыке соединяемых деталей, которое должно обеспечить необходимую плотность и герметичность стыка при действии внешней нагрузки на соединение, возникающее в процессе работы узла. Равномерность усилия затяжки обеспечивается в процессе сборки. Неточная и, как следствие, неравномерная затяжка может являться причиной повышенной вибрации деталей узлов, самоотвинчивания гаек и деформации стянутых деталей.

Наиболее производительным и простым методом контроля усилия затяжки в условиях автоматизированной сборки является контроль крутящего момента на ключе резьбозавертывающего инструмента.

Однако следует отметить, что величина усилия затяжки при контроле этим методом зависит от точности и правильности выбора коэффициентов трения в резьбе и на опорной поверхности гайки (головки винта), а также необходимо учитывать, что величины этих коэффициентов зависят от таких факторов, как скорость затяжки, шероховатость поверхностей крепежных и соединяемых деталей, точности их изготовления, видов и материалов применяемых покрытий и смазок, самого усилия затяжки, метода и времени измерения крутящего момента, так как его величины различны при измерении в процессе затяжки и после ее окончания.

Для обеспечения механизированной сборки необходимого качества изделий с групповыми резьбовыми соединениями необходимо выполнение следующих требований, возникших из практики сборки изделий:

• погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений не должны превышать 6% от номинальных значений;
• синхронная затяжка соединений должна начинаться одновременно.

При механизированной сборке используют одношпиндельные завинчивающие устройства, которые различаются по принципу действия, конструктивно, а главное, - по точности обеспечения осевых сил затяжки, погрешности которых могут колебаться в пределах 30...70% от требуемого значения.

Применение в производстве этих гайковёртов показало, что они эффективны только при жёстком скреплении узлов и деталей там, где не требуется обеспечивать высокую точность осевых сил затяжки, герметичности стыков и одновременного плотного прижатия скрепляемых узлов и деталей.

На практике качественную сборку изделий с групповыми резьбовыми соединениями обеспечивают за счёт высокой квалификации сборщика, который осуществляет затяжку при помощи моментного ключа путём неоднократной затяжки и ослабления соединений.

Многошпиндельные гайковерты, которые работают от одного привода, или такие, у которых каждый шпиндель имеет автономный привод, имеют погрешность осевых сил затяжки до 20% от требуемого значения. Они также не обеспечивают качественную, с учётом герметичности стыков, сборку групповых соединений в связи с неодинаковой продолжительностью завинчивания резьбовых деталей до момента начала затяжки из-за неодинаковой глубины ручного наживления и разной длины нарезанной резьбы, исключая синхронность затяжки.

В работе Д.С. Воркуева рассмотрены различные конструкции многошпиндельных завинчивающих устройств, применяющихся в промышленности для закрепления резьбовых соединений. Они подразделяются на:

• устройства с упругими накопителями энергии (накопители момента),
• устройства с активными обратными связями;
• устройства на основе муфт предельного момента

В устройствах с накопителями энергии упругие элементы закручиваются угол, пропорциональный моменту сопротивления на шпинделе. В пределах профиля кулачка обеспечиваются различные деформации упругих элементов в зависимости от моментов сопротивления на шпинделе. Под воздействием момента сил упругости механизм свободного хода стремится повернуться в обратную сторону и запасенный момент упругих сил прикладывается к шпинделю.

Точность момента затяжки данного завинчивающего устройства в основном зависит от люфтов муфты свободного хода. Данные устройства обеспечивают малые моменты затяжки и могут применяться для завинчивания и затяжки шпилек с диаметром резьбы не более 4 мм. Конструктивно устройство может одновременно завинчивать только две резьбовые детали.

В системе с обратными связями используются следующие виды контроля:

• контроль максимального крутящего момента. В этом случае фактическое максимальное значение момента сравнивается с допустимыми нижними и верхними пределами.
• контроль соотношения «крутящий момент - угол поворота». При этом контролируется величина момента при заданном значении угла и наоборот.
• контроль отклонения функции «момент - угол поворота» от линейной зависимости. При этом назначается допуск на отклонение от линейности в заданном диапазоне по моменту и углу.

При использовании последних двух способов завинчивание болта прекращается в тот момент, когда напряжения в нем превысят предел текучести. Использование этих методов контроля уменьшает разброс усилий затяжки..

Недостатком подобных систем является необходимость проведения их периодических тарировок, сложность изготовления и эксплуатации, а также высокая стоимость, и, вследствие, низкая рентабельность применения.

Завинчивающие устройства на основе муфты предельного момента работают следующим образом: при достижении определенного момента сил сопротивления на шпинделе, больше, чем момент на который настроена муфта, ее полумуфты начинают проскальзывать. Шпиндели будут вращаться с одинаковой «медленной» скоростью синхронно. Поворот шпинделей на одинаковый угол обеспечивается системой отсчета, которая при «прощелкивании» муфты предельного момента передает замыканиям контакта электрические сигналы на счетчик импульсов, который при помощи реле отключает питание двигателя.

Данное устройство также не удовлетворяет требованиям качественной сборки, из-за низкой точности осевых сил затяжки (погрешность более 15%) и имеет ограниченное применение, т.к. можем иметь только четное число шпинделей.

Из этого следует, что существующие средства механизированной сборки изделий с групповыми резьбовыми соединениями, не обеспечивают качественную сборку из-за низкой точности осевых сил затяжки, невозможности одновременного прижатия соединяемых узлов и деталей по плоскостям их сопряжения и отсутствием синхронной затяжки соединений.