Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ
мохамед хусейн мустафа аль фрихат
УДК 621.81:621.753
Вплив конструктивних та технологічних параметрів на якість клейових з’єднань
Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 1999
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Київському державному університеті технологій та дизайну на кафедрі метрології, стандартизації і сертифікації
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор
Зенкін Анатолій Семенович,
Київський державний університет технологій та дизайну, професор кафедри метрології, стандартизації та сертифікації.
Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор
Арпентьєв Борис Михайлович,
зав. Кафедрою технології машинобудування Української інженерно-педагогічної академії (м.Харків)
- кандидат технічних наук, доцент
Тривайло Михайло Семенович,
Доцент кафедри лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”
Провідна установа: Технологічний університет “Поділля”Міністерства освіти України (м. Хмельницький)
Захист відбудеться “25 ” січня 2000 року о 14 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.102.01 при Київському державному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, Київ-11, вул. Немировича-Данченка, 2, корпус 1.
З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Київського державного університету технологій та дизайну.
Автореферат розісланий “ ”грудня 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Хімічева Г. І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Аналіз вітчизняної і закордонної технічної літератури і виробничого досвіду з урахуванням досягнень передових машинобудівних і приладобудівних підприємств України дозволяє стверджувати, що при виготовленні циліндричних з'єднань, збірного ріжучого інструмента і герметизації нерухомих з'єднань усе ширше використовуються різні клеї і герметики. На жаль, не завжди міцність клеєзбірних з'єднань відповідає сучасним вимогам до машин і механізмів, що працюють при високих швидкостях і навантаженнях.
Можливості клеїв при виготовленні ріжучого інструмента привертають все більшу увагу спеціалістів. Проте, у зв'язку з відсутністю рекомендацій із розрахунку і технології виготовлення, зокрема використання епоксидних клеїв, впровадження у виробництво цього прогресивного методу складання стримується. Наявні дані з впливу конструктивних і технологічних параметрів на експлуатаційну міцність клеєзбірного інструмента носять дещо суперечливий характер і тому потребують систематизації та уточнення.
У технічній літературі є окремі відомості про те, що поєднання термічного складання з'єднань із натягом і клеїв дозволяє одержувати з'єднання високої міцності. Проте, відсутність порівняльних даних із статичної та втомлюваної міцності клеєзбірних з'єднань не дозволяє оцінити можливості та визначити галузі широкого використання цієї технології в машинобудуванні.
В області герметизації для ущільнення фланцевих стиків з'єднань усе частіше застосовуються в'язкотекучі матеріали, що мають назву "рідкі прокладки". В дослід-женнях наводяться дані, які дозволяють судити про вплив різних чинників на якість герметизації. Однак, вони не повною мірою відповідають на питання, пов'язані з підготовкою сполучних поверхонь, з оцінкою впливу тиску стиснення рідкої прокладки і інш. Необхідні додаткові теоретичні та експериментальні дослідження, що дозволять визначити основні умови якісної герметизації агрегатів та з'єднань машин.
На підставі вищевикладеного можна зробити висновок, що широке застосування в техніці клейових з'єднань у значній мірі стримується відсутністю ефективних методів їхнього розрахунку, що надало б можливість максимально врахувати вплив різних конструктивних і технологічних чинників, а також методичних вказівок, які дозволять забезпечити умови підвищення їхньої статичної та втомлюваної міцності. У зв'язку з цим, проведення теоретичних і експериментальних досліджень по удосконалюванню методів розрахунку і технології складання клеєзбірних з'єднань із метою підвищення їхніх характеристик міцності і розробка практичних рекомендацій є актуальною задачею сучасного машинобудування.
Метою дисертаційної роботи є одержання аналітичних і експериментальних залежностей, що дозволяють встановити взаємозв'язок конструктивних і технологічних параметрів із якісними характеристиками клейових з'єднань, які забезпечують підвищення характеристик міцності з'єднань деталей машин та їхню герметизацію.
Для реалізації сформульованої мети автором намічено вирішити такі задачі:
. Одержати аналітичні та експериментальні залежності, що дозволяють оцінити взаємозв'язок між характеристиками міцності клеєзбірних плоских і циліндричних з'єднань та технологічної підготовки, сполучних поверхонь, товщиною клейового прошарку і маркою клею.
. Виконати теоретичні і експериментальні дослідження, що дозволять встановити закономірності впливу на статичну та втомлювану міцність клейових з'єднань форми мікронерівностей сполучних поверхонь, параметрів макрорельєфу, наявність у зоні контакту з'єднань із натягом фрикційної обмазки та одержати їхні чисельні значення.
. Встановити вплив експлуатаційних чинників і марки клею на стійкість клеєзбірного ріжучого інструмента і розробити таку конструкцію кріплення окремих елементів, яка дозволяє максимально розвантажити клейовий шов від дії сил різання і забезпечити підвищену працездатність інструмента в складних температурно-силових умовах роботи.
. Одержати теоретичні й експериментальні залежності для оцінки міцності клеєзбірних циліндричних з'єднань з урахуванням конструктивних і технологічних параметрів, алгоритмічне і програмно-математичне забезпечення розрахунків довести до рівня можливості використання в інженерній практиці.
. Встановити теоретичні та експериментальні залежності, що дозволяють оцінити вплив визначальних чинників процесу герметизації на спроможність герметизувати рідких прокладок, що самотверднуть.
6. Апробувати запропоновані розробки і впровадити результати досліджень у виробництво, обгрунтувати і показати можливість ефективного використання статистичних методів для оцінки якості клеєзбірних з'єднань.
Зв'язок роботи з науковими планами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку досліджень Київського державного університету технологій та дизайну з проблеми "Устаткування, системи керування технологічними процесами і контроль якості виробів".
Загальна методика досліджень. Теоретичні дослідження при вирішенні поставлених задач базуються на використанні основних положень технології машинобудування, теорії пластичності і пружності, нестаціонарної теплопровідності і термопружності, теорії планування експерименту, методів математичного програмування і моделювання з використанням ЕОМ. При проведенні експериментальних досліджень використовувалися сучасні технічні засоби.
Наукова новизна. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень отримані залежності, що дозволяють робити розрахунок, прогнозування та оцінку міцності клеєзбірних з'єднань в залежності від конструктивних і технологічних параметрів. Встановлено взаємозв'язок методу обробки сполучних поверхонь та режимів складання із характеристиками міцності з'єднань, зібраних на епоксидних клеях. Розроблені принципово нові технології складання клейових з'єднань із переривчастим макрорельєфом різної щільності по довжині сполучення охоплюваної деталі, наявністю в зоні контакту з'єднань із натягом фрикційної обмазки, що дозволяють підвищити їхню втомлювану міцність.
На захист виносяться:
- методика розрахунку міцності клеєзбірних з'єднань з урахуванням макро- і мікрогеометрії сполучних поверхонь, оптимальної форми і розташування по довжині сполучення;
- методика і результати експериментальних досліджень міцності при використанні фрикційних клейових обмазок;
- методика розрахунку і результати експериментальних досліджень з'єднань із рідкими прокладками , що самотверднуть;
- рекомендації з раціонального виготовлення клеєзбірних ріжучих інструментів і з'єднань із натягом
Практична цінність. Отримані в результаті теоретичних і експериментальних досліджень дані дозволяють оцінити вплив конструктивних і технологічних параметрів на експлуатаційну надійність різноманітних за призначенням клеєзбірних з'єднань, зібраних на епоксидних клеях, сформулювати принципи підвищення їхньої статичної та втомлюваної міцності. Запропоновані в роботі рішення дозволяють знизити трудомісткість та енергоємність їхнього виготовлення.
Результати теоретичних досліджень із розрахунків міцності і вибору оптимальної технології складання клейових циліндричних з'єднань, відповідне їм алгоритмічне і програмно-математичне забезпечення доведені до рівня можливості використання їх в інженерній практиці, що дозволяє у виробничих умовах оперативно вирішувати задачі, пов'язані з впровадженням у виробництво цього прогресивного методу складання.
Особистий внесок. Здобувачем самостійно розроблені методики, алгоритми і програми розрахунку клеєзбірних з'єднань із різною конфігурацією мікронерівностей і щільністю макрогеометрії по довжині сполучення. Запропоновано методи, що дозволяють оцінити і розрахувати адгезійну і когезійну міцність з'єднань і намітити шляхи підвищення статичної й втомлюваної міцності клеєзбірних з'єднань. Самостійно виконані всі розрахунки, експериментальні дослідження та аналіз отриманих у роботі залежностей.
Реалізація результатів роботи. Результати досліджень були апробовані на машинобудівних підприємствах, що випускають машини та устаткування для легкої і текстильної промисловості. Результати досліджень використовуються також у навчальному процесі при читанні лекцій і проведенні лабораторних та практичних занять за курсом "Надійність машин легкої промисловості".
Апробація роботи. Дисертація і окремі її розділи доповідалися, обговорювалися і були в цілому схвалені на 1-й міжнародній конференції “Сов-ременные технологии ресурсо-энергосбережения”(Київ, 1997 р.), на конференції “Технологічне забезпечення працездатності деталей машин, механізмів і інструмента”(Київ, 1997 р.), на міжнародному семінарі-виставці “Сучасні матеріали в машинобудуванні”(Київ, 1999 р.) і ряді інших. Робота також доповідалася на засіданні кафедри метрології, стандартизації і сертифікації і на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Київського державного університету технологій та дизайну на протязі 1996 - 1999 р.р.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 праць.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Робота викладена на 165 стор. машинописного тексту, містить 32 рисунки, 22 таблиці, список літературних джерел із 145 найменувань.
Зміст РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність роботи, мета і задачі дослідження, сформульовані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів. Сформульовано основні положення, розглянуті в дисертаційній роботі, і також найбільш важливі результати, що виносяться на захист.
У першому розділі автором проведено критичний аналіз сучасної наукової і технічної вітчизняної і закордонної літератури, присвяченої дослідженню міцності клейових циліндричних з'єднань із натягом і клеєзбірних ріжучих інструментів, який дозволив встановити, що в цілому ряді випадків використання епоксидних клейїв дозволяє не тільки забезпечити достатньо високу, у порівнянні з механічним запресовуванням, експлуатаційну надійність, але і дозволяє значно знизити собівартість їхнього складання. На жаль, в технічній літературі відсутні методичні вказівки з розрахунку таких з'єднань.
Відомо, що втрата міцності з'єднання пов'язана з ростом дефектів у клейовому прошарку, зокрема появі і поширенні тріщин. У ряді робіт показана можливість підвищення характеристик міцності клеєзбірних циліндричних з'єднань. Підвищення втомлюваної міцності клеєзбірних з'єднань із натягом можна забезпечити за рахунок створення на сполучних поверхнях деталей спеціального мікро- і макропрофілю, а також використання різноманітних методів, що дозволяють підвищити коефіцієнт тертя в зоні контакту сполучних деталей. Проте, існуючи дані окремих досліджень носять суперечливий характер і потребують серйозної аналітичної і експериментальної перевірки.
У ряді робіт наводяться результати теоретичних і експериментальних досліджень механізму герметизації нерухомих з'єднань рідкими прокладками, що самотверднуть. На жаль, через відсутність ефективних методів їхнього розрахунку та нестачу експериментальних даних неможливе широке використання цього методу складання для нерухомих відповідальних з'єднань.
Аналіз сучасних робіт, присвячених використанню клеїв для складання ріжучого інструмента, показав, що незважаючи на значну кількість досліджень у цій галузі, залишаються відкритими питання, пов'язані з розрахунком конструктивних параметрів клеєзбірних з'єднань та розробкою ефективних методів, що дозволяють підвищити їхню експлуатаційну надійність і довговічність.
Критичний аналіз сучасного стану і тенденції використання клейових композицій при виготовленні виробів у різних галузях машинобудування дозволив дисертанту сформулювати мету роботи, обгрунтувати необхідність проведення комплексу теоретичних і експериментальних наукових досліджень в галузі удосконалення розрахунку і технології клеєзбірних з'єднань.
У другому розділі на основі теоретичних досліджень отримані залежності, що дозволяють оцінити вплив конструктивних і технологічних параметрів на характеристики міцності клеєзбірних з'єднань. Обгрунтована фізична сутність процесів, що протікають у зоні контакту плоских і циліндричних з'єднань із клейовим прошарком, що дало можливість запропонувати функціональні залежності, які дозволяють розрахувати статичну й втомлювану міцність таких з'єднань.
З урахуванням параметрів шорсткості сполучних поверхонь, товщини клейового прошарку, фізико-механічних характеристик матеріалів, взаємного заглиблення мікропрофілю сполучних деталей були отримані залежності, що покладено в основу розрахунку міцності клеєзбірних з'єднань.
Так, зокрема, для розрахунку міцності з'єднань із натягом для деталей із однорідних матеріалів на підставі теорії взаємодії запропонована наступна залежність:
|
, |
де , Е - коефіцієнт Пуассона і модуль пружності матеріалу деталей; - величина натягу; - розмір заглиблення мікропрофілю; , - площі поперечних перетинів охоплюваної та охоплюючої деталей; - радіус сполучення.
Як свідчить практичний досвід експлуатації реальних клеєзбірних з'єднань, через концентрацію напруг, пов'язаних із неточністю складання, впливу середовища і т.і., стадія руйнування (виникнення і розвиток у клейовому прошарку тріщин), починається задовго до вичерпання міцності з'єднання. Тому резерви підвищення міцності і надійності слід шукати в підвищенні тріщиностійкості клейових з'єднань. Зростання тріщини починається, за умови, коли нормальна напруга, що діє перпендикулярно її фронту, досягає критичного значення.
Одним із можливих механізмів, що пояснюють зміну міцності з'єднань в залежності від форми мікронерівностей, зокрема, кута нахилу , є припущення, що дефекти в клейовому прошарку типу тріщин переважно орієнтуються, розташовуються і концентруються на межі поділу клей-деталь. На рис. 1, а наведено схему напруг, що виникають у клейовому прошарку 2 з'єднань при нормальному відриву і осьовому зсуві сполучних деталей 1, 3.
|
а |
б |
Рис. 1. Схема розподілу напруг у клейовому прошарку 2 при нормальному відриві (а) і осьового зсуві (б) деталей 1 і 3
Позначимо через кут нахилу мікронерівностей поверхні, а через діючу напругу. Оскільки тріщина поблизу цієї ділянки розташовується паралельно її поверхні, то напруга діє нормально до її фронту. Усереднена по всіх ділянках поверхні субстрату напруга, що діє по нормалі до фронту тріщини, буде дорівнювати . Припустимо, що тріщини мають приблизно однаковий розмір, тоді їхнє зростання повинне початися, як тільки величина досягне критичного значення, що визначається розміром тріщини. Забезпечення умов, при яких нахил тріщини відносно напрямку розтягуючої напруги зменшується, дає можливість підвищити розмір критичної напруги і, таким чином, підвищити міцність з'єднань. Із запропонованої гіпотези випливає, що міцність клейового з'єднання при нормальному відриві повинна бути обернено пропорціональна величині .
Аналогічні процеси відбуваються в клейовому з'єднанні при осьовому зсуві деталей (рис. 1, б). При цьому міцність клейового з'єднання буде обернено пропорціональна .
Проте, як показали дослідження, створення навіть оптимальної форми мікронерівностей не забезпечує повного гальмування тріщини. Тому для з'єднань із натягом в роботі розглянута можливість використання для вирішення цієї задачі переривчастої структури клейового прошарку.
Передбачається, що макрорельєф у вигляді окремих, не пов'язаних між собою, ділянок дозволить забезпечити по довжині склеювання розподіл клейового шва на окремі ізольовані зони, що, очевидно, буде перешкоджати поширенню тріщини, яка виникає в зоні концентрації напруг у клейовому шві. Аналітичні дослідження показали, що щільність нанесення макрорельєфу відповідала епюрі розподілу напруг повздовж спряження посадок із натягом. Щільність нанесення макрорельєфу у зоні концентрації напруг повинна складати 1,5...1,7 кільцевих зон на 10 мм, а по іншій довжині - 0,8 - 1,0. Розмір натягу приймається рівним 2/3 натягу стандартної посадки, а висота макронерівностей - в межах 15...20 мкм.
Аналіз напруженого стану спряжуваних деталей, і зокрема, вала показує, що він істотно залежить від розміру сил тертя між сполучними поверхнями. При складанні з натягом охоплююча деталь - втулка під час остигання стискує вал у радіальному напрямку, а за рахунок тертя між поверхнями, що контактують, виникає стиск вала уздовж осі. Збільшення сил тертя призводить до всебічного стиску в поверхневих прошарках вала, що підтверджено епюрами осьових і радіальних напруг, які розраховані при коефіцієнті тертя, що дорівнює одиниці. Такий напружений стан сприяє підвищенню втомлюваної міцності з'єднань із натягом. Це, у свою чергу, дозволяє зробити висновок, що, очевидно, доцільно наносити на сполучні поверхні спряжуваних деталей такі покриття, які збільшують зчеплення і, як наслідок, сили тертя проміж ними. З цією метою можуть бути використані різноманітні фрикційні обмазки, наприклад, на основі абразивного порошку, що можна нанести на контактуючу поверхню вала за допомогою клею.
Дослідження, виконані в роботі, показали, що експлуатаційну надійність клеєзбірних з'єднань можна оцінити характеристиками адгезійної і когезійної міцності з урахуванням їхнього розкиду.
Справжню адгезіну і когезійну міцності можна визначити за наступними формулами:
|
; , |
де - вибіркові середні значення міцності адгезії і когезії; , - їхні дисперсії відповідно; ; Ф(а) і Ф'(а) - функції, що визначаються за стандартними статистичними таблицями; .
У розділі також наведені теоретичні дослідження механізму герметизації нерухомих з'єднань рідкими прокладками , що самотверднуть.
Відомо, що при формуванні прокладки зайвий матеріал витискується в двох напрямках: усередину з'єднання і назовні. При цьому існує деяка циліндрична поверхня радіуса Rк, що розділяє ці два потоки. Встановлення значення RК варіаційним методом дозволяє одержати вираз для визначення середнього питомого тиску стиснення прокладки , із якого випливають два практично важливих наслідки:
|
, , |
де Rвн, Rн—відповідно внутрішній та зовнішній радіуси прокладки; hн—висота (товщина) прокладки під навантаженням; A, В—множники; S - опір матеріалу пластичній деформації.
Наведені залежності дозволяють визначати товщину прокладки у фланцевому з'єднанні довільних розмірів і залежність опору матеріалу пластичному деформуванню від часу відкритої витримки герметизатора на повітрі до складання фланцевого з'єднання.
Встановлено залежності, що дозволяють здійснити розрахунок конструктивних параметрів клеєзбірних інструментів, та показано, що у разі правильного вибору цих параметрів значно підвищити надійність і забезпечити працездатність клеєзбірного інструмента можна навіть при використанні клеїв із відносно низькою теплостійкістю.
У якості критеріїв міцності клейового з'єднання прийнята не гранична напруга в клейовому шві, а гранично допустиме зусилля РТ на клейовий шов.
|
, |
де: - межа міцності клейового з'єднання на зсув при Т=20С кг/см; , , - розміри ріжучої пластини, см; - коефіцієнт теплового знеміцнювання; g - тепловий потік, із зони різання; - приведений коефіцієнт теплопровідності; , - інтегральні функції для відповідних опорних поверхонь, які визначаються геометричними параметрами ріжучого елемента.
У третьому розділі, як результат порівняльних випробувань, були отримані чисельні значення, що дозволяють оцінити вплив на характеристики міцності з'єднань марки клею, товщини клейового прошарку, шорсткості, методу обробки контактних поверхонь спряжуваних деталей. Встановлено, що при використанні епоксидного клею гарячого затвердіння УП-5-207 міцність з'єднань у середньому на 15 - 20% вища ніж, при застосуванні клею УП-5-233-1 холодного затвердіння. Оптимальна товщина клейового прошарку складає 50...55 мкм, а найбільшу міцність мають з'єднання, сполучні поверхні яких оброблені електроіскровим методом. Експериментально підтверджено, що на міцність циліндричних клеєзбірних з'єднань істотний вплив має форма мікронерівностей контактних поверхонь, що пов'язано зі специфікою формування зони контакту.
У таблиці 1 наведено чисельні залежності міцності на осьовий зсув клеєзбірних циліндричних з'єднань від форми мікронерівностей, отриманої різцями з різними кутами в плані і .
Таблиця 1. Середні зусилля осьового зсуву досвідних клейових циліндричних з'єднань в залежності від мікрогеометрії поверхонь
спряжуваних деталей
|
Кут різця = |
Зусилля зсуву , кН |
Товщина клейового прошарку, мкм |
||
|
УП-5-207 |
УП-5-233-1 |
УП-5-207 |
УП-5-233-1 |
|
|
60 |
,2 |
,3 |
||
|
45 |
,5 |
,4 |
||
|
30 |
,4 |
,6 |
||
|
20 |
,1 |
,1 |
,8 |
Примітка: шорсткість сполучних поверхонь деталей Ra=5,6...6,5 мкм.
Як свідчать дані, наведені у таблиці 1, найбільшу міцність мають досвідні з'єднання (при використанні клеїв як холодного, так і гарячого затвердіння), обробка спряжуваних поверхонь яких провадилася різцями з кутами = =20 (у 1,6...1,9 разів вища міцності при = =60).
Підвищення міцності, як показали металографічні дослідження, викликане тим, що клей не тільки максимально заповнює всі пустоти мікронерівностей, але й у поєднанні з оптимально обраним мікропрофілем дозволяє зменшити вплив мікротріщин у клейовому прошарку.
Наведені дані експериментальних досліджень втомлюваності клеєзбірних циліндричних з'єднань, зібраних на клеї УП-5-207 (Табл. 2), показали, що за інших рівних умов (сполучні поверхні оброблялися точінням, складання з нагріванням) такі з'єднання мають границю витривалості на 20...25% вищу, ніж з'єднання, які було складено без клею. При електроіскровій обробці вала з заданою щільністю макронерівностей, границя витривалості підвищується на 40...50%. Підвищення границі витривалості добре узгоджується з результатами теоретичних досліджень.
Таблиця 2. Границя циклічної витривалості і порівняльна міцність валів клеєзбірних з'єднань із натягом при різних методах обробки
сполучних поверхонь
|
Метод складання і технологія підготовки сполучних поверхонь |
Границя циклічної витривалості, МПа |
Порівняльна міцність, % |
|
1. З нагріванням, точіння втулок і валів, натяг 45...50 мкм* |
135 |
* |
|
2. З нагріванням, точіння втулок і валів, натяг 15...20 мкм |
164 |
|
|
3. З нагріванням, точіння втулок, електроіскрова обробка валів із заданим кроком, натяг 15...20 мкм |
Примітка: 1. *Складання без клею. 2. Шорсткість сполучних поверхонь валів і втулок Ra= 5,6...6,5 мкм.
Експериментально встановлено, що застосування фрикційної обмазки (суміш клею БФ-2 з абразивним порошком марки М28) у з'єднаннях із натягом, які складалися термічними методами, є простим і ефективним засобом підвищення їхньої надійності і довговічності.
Тензометричні дослідження залишкових напруг у поверхневих прошарках з'єднань, зібраних із фрикційною обмазкою, дозволили встановити, що середня величина осьових напруг стиску складає приблизно 100 МПа при середній величині натягу 0,04 мм.
Кількісний зв'язок між амплітудою напруги а і довговічністю (числом циклів N до руйнування) визначається рівнянням лінії регресії
|
, |
де - коефіцієнт кореляції величини і ; , - середні квадратичні відхилення цих величин; =10 - база випробувань (рискою позначені математичні сподівання відповідних величин для кожної випробуваної партії зразків). З огляду на відносно невеликий обсяг партій зразків (6...8), було розраховано криві втоми, що відповідають ймовірності руйнування 50 %.
При випробуваннях на втомленість було зафіксовано, що зародження тріщин від втомленості і руйнування у всіх зразків відбувалися в зоні запресування на відстані 2 - 4 мм від торця втулки, при цьому спостерігалися сліди фретінг-корозії.
Результати випробувань, наведені у таблиці 3, свідчать, що фрикційна обмазка на основі клейової композиції істотно (більш ніж у 3 рази) підвищує границю витривалості нерухомих з'єднань.
Таблиця 3. Порівняльні дані випробувань на втомленість з'єднань із натягом із фрикційною обмазкою у зоні контакту та без обмазки
|
З'єднання |
|
, МПа, при N=10 |
||||
|
З фрикційною обмазкою |
2,6926 |
,08706 |
,05596 |
,82692 |
,971 |
|
|
Без обмазки |
2,343 |
,82626 |
,10259 |
,49296 |
,86539 |
Експерименти з розпресування зразків показують збільшення зусилля розпресування більш, ніж у півтора рази. У той же час у разі потреби, пресове з'єднання можна розібрати, шляхом використання гідравлічного способу або нагріву охоплюючої деталі, індукційним способом.
Таким чином, застосування фрикційної обмазки пресових з'єднань, сформованих гарячим способом, є простим і ефективним методом підвищення надійності і довговічності.
У результаті експериментальних досліджень рідкої прокладки ВАТТ-3 були отримані дані впливу на процес герметизації методу підготовки сполучних поверхонь. Також встановлено, що на герметизуючу спроможність рідких прокладок впливають відкрита витримка складу, тиск стиснення, тривалість збереження матеріалу.
Оцінка впливу тиску стиснення рідкої прокладки на її герметизуючу спроможність показала, що рідка прокладка (на відміну від традиційних твердих прокладок) має початкову герметизуючу спроможність при =0, що обумовлена її адгезією до поверхонь з'єднання. Оптимальним і достатнім слід вважати тиск стиснення прокладок (на основі низькомолекулярних силоксанових каучуків), що самотверднуть, від 1 до 3 МПа, при якому прокладки зазнають деформацію біля 30%. Проте, як показали випробування, прокладки довгостроково експлуатуються і при тисках стиснення, що регламентуються технічними умовами на складання вузлів і агрегатів.
При проведенні досліджень досвідних зразків клеєзбірного інструмента експериментально встановлено, що найбільша експлуатаційна надійність при використанні клею УП-5-207 досягається при обробці сполучних поверхонь шліфуванням із наступною дробострумінною обробкою і знежирюванням водяними миючими розчинами або органічними розчинниками (рис.2). Результати експериментальних і виробничих випробувань показали, що використання однокомпонентного клею УП-5-207 дозволяє створити клеєзбірний інструмент, зокрема, прохідні і розточювальні різці, фрези, розвертки і свердла, стійкість яких на 20 - 90 % вища стійкості паяного. Досягається це за рахунок виключення високого нагрівання, при якому виникає такий поширений дефект пайки, як утворення тріщин. Встановлено, що клеєзбірний інструмент достатньо стійкий до впливу мастильно-охолоджувальної рідини та коливань температури від -60 до +150 С. На рис. 3. наведено залежність міцності клейового з'єднання від впливу мастильно-охолоджувальної рідини і води.
|
Рис. 2. Міцність на відрив клейових з'єднань у залежності від виду обробки: 1 - абразивне шліфування; - абразивне шліфування та дробо-струмінна обробка |
Рис. 3. Вплив дії мастильно-охолоджувальної рідини (1) та води (2) на міцність клейового з'єднання |
При експериментальних дослідженнях були отримані залежності зміни динамічної в'язкості клею від часу його зберігання і встановлено, що при зберіганні клею у нормальних умовах і використанні на протязі 12 місяців міцність клейового з'єднання зменшується на 10-11% і складає 24-25 МПа. Таким чином, дану композицію можна використовувати на протязі 12 місяців і одержувати якісні з'єднання.
Результати експериментальних досліджень дають підставу стверджувати, що використання клею УП-5-207 у поєднанні з оптимальним режимом формування клеєних ріжучих інструментів дозволяє забезпечити достатню їхню надійність в експлуатації. Проведення експериментальних досліджень і промислове апробування різних по призначенню клеєзбірних інструментів показало не тільки можливість, але і доцільність їхнього широкого використання.
У четвертому розділі наведено результати виробничих випробувань різноманого за призначенням клеєзбірного інструмента. Результати проведених експериментів і дані експлуатації такого інструмента показують надійність і технологічність застосування клею УП-5-207 у інструментальному виробництві і дозволяють рекомендувати розроблену технологію для широкого впровадження на машинобудівних підприємствах України.
У розділі показані можливості використання клейових композицій при ремонті та відновленні різних виробів. Наведено дані з використання нових клейових композицій для відновлення гідроізоляції трубопроводів і заклеювання свищів під водою, герметизації та антикорозійного захисту нафтових резервуарів без ретельного очищення поверхні від рідких вуглеводнів, адгезійного зміцнення частково зруйнованих корозією поверхонь.
У розділі показані перспективи застосування методу розрахунку клеїв для складання тонких металевих обшивок і стільникових конструкцій. Використання композиційних матеріалів обумовило якісно новий етап розвитку технологічних процесів із використанням склеювання.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
. Встановлено закономірності протікання процесу в зоні контакту клейових з'єднань при формуванні, когезійному й адгезійному руйнуванні, що дозволило запропонувати методику розрахунку з'єднань з урахуванням конструктивних і технологічних параметрів і обгрунтувати можливість підвищення їхніх характеристик міцності.
. Теоретично встановлено й експериментально підтверджено, що на міцність плоских і циліндричних клеєзбірних з'єднань справляє істотний вплив форма мікронерівностей поверхонь, які склеюються, що пов'язано зі специфікою формування зони контакту. Максимальна статична міцність досвідних циліндричних з'єднань досягається при кутах при основі мікронерівностей 20...25, що в один у 1,6...1,9 рази вище міцності аналогічних з'єднань, що мають кути 60... 65.
. Експериментально встановлено, що втомлювану міцність клеєзбірних циліндричних з'єднань із натягом можна підвищити за рахунок:
- використання регулярного макрорельєфу у вигляді окремих, не пов'язаних між собою ділянок із висотою виступів 0,5...0,8 величини натягу і щільністю 1,5...1,7 кільцевих зон на 10 мм у зоні концентрації і 0,8...1,0 на інший довжині;
- використання нанесення на сполучні поверхні спряжуваних деталей таких покриттів, що збільшують зчеплення та сили тертя проміж ними, зокрема, фрикційних клейових обмазок на основі абразивного порошку.
У першому випадку втомлювана міцність клейових з'єднань, зібраних термічним методом, у 1,3...1,4 рази, а в другому випадку - у 2,9...3,0 рази вища, ніж у аналогічних з'єднань без клею.
. Встановлені теоретичні та експериментальні залежності, що дозволяють оцінити вплив способів підготовки поверхонь, оптимального часу відкритої витримки складу на повітрі до складання з'єднання і закритої витримки після складання, тиску стиснення прокладки на герметизуючу спроможність самотвердних рідких прокладок.
. Теоретично та експериментально обгрунтовані методи конструювання клеєзбірного кінцевого і лезвійного інструмента, в основу яких покладено розрахунок гранично припустимого зусилля на клейовий шов.
. Встановлено, що клейові з'єднання на основі клею УП-5-207 зберігають свої показники міцності при впливі мастильно-охолоджуючої рідини і води на достатньо високому рівні (90 - 97 % від початкових). Температурно-силовий аналіз роботи ріжучого інструмента показав можливість використання такого типу клеїв в інструментальному виробництві.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБіТ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ
1. Зенкин А.С., Аль Фрихат Мохамед, Козелло Н.Л., Зубрецкая Н.А. Техническое обеспечение качества клеесборных цилиндрических соединений// Сборник статей по материалам 4-ой междунар. научн.-метод. конф. “Критические технологии, автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении”. –Алушта. - 1997.–С.51-55.
. Аль Фріхат Мохамед, Куроптєва К.О., Зенкін А.С. Забезпечення якості клейових з’єднань металів // Експрес новини: наука, техніка, виробництво. –.–№ 9-10.–С. 38-40.
3. Козелло Н.Л., Аль Фрихат Мохамед, Зенкин А.С. Применение клеевых композиций для восстановления цилиндрических неподвижных соединений.//Труды 1-ой междунар. конф. “Современные технологии ресурсо-энергосбережения”.–-е изд.–Книга 2.–Киев.–.–С.53–.
. Аль Фрихат Мохамед, Козелло Н.Л. Влияние технологических параметров и дефектов на качество клеевых соединений// Материалы конф. “Технологическое обеспечение работоспособности деталей машин, механизмов и инструмента”.–Киев.–.–С.4-5.
5. Зенкин А.С., Козелло Н.Л., Аль Фрихат Мохамед. Применение клеев при изготовлении изделий из пластмасс// Материалы конф. “Ресурсо- и энергосберегающие технологии в промышленности”.–Одесса.–.–С.14-15.
. Зенкін А.С., Козелло Н.Л., Аль Фріхат Мохамед. Контрольні операції виготовлення клейових з’єднань // Труди міжнар. семінара-виставки “Современые материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении”. –Київ.–.–С.47-48.
7. Аль Фрихат Мохамед, Козелло Н.Л. Опыт применения клеевого инструмента// Труды конф. “Оснастка–”. –Киев.–.–С. 6 - 7.
8. Аль Фрихад Мохамед, Зенкин А.С. Моделирование параметров качества поверхности//Труды междунар. конф. “Технологии ремонта машин и механизмов. Ремонт." - Киев. - 1998. - С. 46 - 47.
9. Аль Фрихат Мохамед, Куроптєва К.О., Зенкін А.С. Особливості конструювання, виготовлення і експлуатації різальних інструментів з клейовими з’єднаннями// Експрес-новини: наука, техніка, виробництво.–.–№13-14.–С.42-44.
. Павленко В.М., Аль Фрихат Мохамед, Зенкін А.С. Методика оцінки міцності відповідальних з'єднань із гарантованим натягом, що збираються термічним методом// Експрес-новини: наука, техніка, виробництво.–.–№15.–С.16-18.
анотація
Мохамед Хусейн Мустафа Аль Фрихат. Вплив конструктивних та технологічних параметрів на якість клейових з'єднань. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.02 - машинознавство. - Київський державний університет технологій та дизайну, Київ, 1999.
Дисертація присвячена вирішенню питань, пов'язаних з одержанням аналітичних та експериментальних залежностей, що дозволяють з урахуванням впливу конструктивних та технологічних параметрів деталей забезпечить підвищення міцності і точності клеєзбірних з'єднань.
Запропоновано методику розрахунку міцності клеєзбірних з'єднань із натягом з урахуванням параметрів шорсткості сполучних поверхонь, товщини клейового прошарку, фізико-механічних характеристик матеріалів спряжуваних деталей, взаємне заглиблення мікропрофілю сполучних деталей. Теоретично та експериментально обгрунтовано методи конструювання клеєзбірного ріжучого інструмента, використання спеціальних покриттів, зокрема, фрикційних обмазок для підвищення втомлюваної міцності клеєзбірних з'єднань із натягом та самотвердних прокладок для підвищення герметизації з'єднання.
Ключові слова: клей, клеєзбірне з'єднання, статична та втомлювана міцність , фрикційні обмазки, макропрофіль, мікропрофіль, рідки прокладки, що самотверднуть.
аннотация
Мохамед Хусейн Мустафа Аль Фрихат. Влияние конструктивных и технологических параметров на качество клеевых соединений. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. - Киевский государственный университет технологий и дизайна, Киев, 1999.
Диссертация посвящена решению вопросов, связанных с получением аналитических и экспериментальных зависимостей, позволяющих с учетом влияния конструктивных и технологических параметров деталей обеспечить повышение прочности и точности клеесборных соединений.
Предложена методика расчета прочности клеесборных соединений с учетом параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей, толщины клеевой прослойки, физико-механических характеристик материалов сопрягаемых деталей, взаимного внедрения микропрофиля сопрягаемых деталей.
Обоснована физическая сущность процессов, протекающих в зоне контакта цилиндрических соединений с клеевой прослойкой, что позволило предложить зависимости для расчета прочности таких соединений. Показано, что повышения усталостной прочности клеесборных соединений с натягом можно достичь за счет создания на сопрягаемых поверхностях деталей специального микро- и макропрофиля, препятствующего распространению и развитию трещин в клеевой прослойке. Установлено также, что использование фрикционных обмазок на основе абразивного порошка при сборке соединений с натягом существенно (более, чем в 3 раза) повышает предел выносливости соединений, собранных термическим методом, и практически исключает влияние напрессовки на снижение усталостной прочности.
В работе приводятся результаты теоретических исследований механизма герметизации неподвижных соединений самоотверждающимися жидкими прокладками, которые позволили установить характер влияния на герметизирующую способность различных технологических сборочных параметров.
Показано, что правильный выбор конструктивных и технологических сборочных параметров позволяет значительно повысить надежность и обеспечить работоспособность клеесборного инструмента даже при использовании клеев с относительно низкой теплостойкостью. В работе рассмотрены пути обеспечения качества клеевых соединений за счет эффективного использования статистических методов контроля. В качестве критериев прочности клеевого соединения клеесборного режущего инструмента принято не предельное напряжение в клеевом шве, а предельно допустимое усилие на клеевой шов.
Ключевые слова: клей, клеесборные соединения, статическая, усталостная прочность, фрикционные обмазки, макропрофиль, микропрофиль, жидкие самоотверждающиеся прокладки.
the summary
Mohmed Hussen Mustafa Al-Frihat Effect of constructive and technological parameters on the quality of adhesive joints. - Manuscript.
Thesis for the academic of a Candidate of technical sciences (Ph. D. in Engineering) in specialty 05.02.02 - Science of Machines. - The Kiev State University of Technologies and Design, Kiev, 1999.
The thesis deals with solution of problems connected with determination of analytical and experimental relations, allowing to ensure strength and accuracy of composite adhesive joints with consideration for the effect of constructive and technological parameters of the parts.
The thesis proposes the methods of calculation of the strength of composite adhesive tension joints with allowance made for roughness parameters of mated surface, thickness of an adhesive interlayer, physical and speed-torque characteristics of the materials of mating parts, embedding of micro-profile of mating parts. There is given a theoretical and experimental substantiation of the methods of design of a composite adhesive cutting tool, application of special coatings, in particular, friction coverings, for enhancement of the fatigue strength of composite adhesive tension joints and self-hardering gaskets for upgrading of leakproofness of a joint.
Key-word: adhesive, composite adhesive joints, static, fatigue strength, friction coverings, macro-profile, liquid self-hardering gaskets.