Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The main problem in the use of threaded joints is the reduction of the preliminary force under the influence of workloads, which contribute to stress relaxation in the joint elements. The main directions of intensifying assembly operations in order to improve the performance properties of a threaded joint are improving the design of joints, using adhesive compositions that, after polymerization, prevent unscrewing. One of the ways to modernize the assembly is the use of ultrasonic vibrations, which makes it possible to influence the distribution of forces arising during assembly, as well as to process treat the adhesive to improve its properties. Research methodology. Experimental studies were carried out in three stages. At the first stage, the influence of shear ultrasonic vibrations on the threaded joint assembly process was assessed. As a complex indicator that determines the effectiveness of the impact, a relative unscrewing torque is proposed, which takes into account the change in the tightening torque under vibration conditions and the increase in the unscrewing torque after assembly. At the second stage, studies were carried out on the effect of ultrasonic treatment on the properties of epoxy adhesive in the liquid (viscosity) and polymerized state (submicrostructure, microhardness, shear stress). At the third stage, the adhesive threaded joint was assembled with the simultaneous addition of adhesive and the application of vibrations. Results and discussion. The application of shear ultrasonic vibrations with an amplitude from 5 to 9 μm leads to an increase in the relative unscrewing torque by 1.5 times, which is associated with the creation of an additional force that promotes tightening and a decrease in friction, which acquires the characteristics of quasi-viscous. At the same time, ultrasound increases the uniformity of load distribution along the thread turns, which is confirmed by the absence of its deformation at a higher tightening torque. Ultrasonic treatment of the adhesive at amplitudes of 8...12 μm leads to a decrease in viscosity to 70–80 % and an increase in strength to 24 %, which is explained by the action of cavitation and acoustic flows. The assembly of an adhesive threaded joint at vibration amplitude of 9 μm combines effects that promote tightening and increase the properties of the adhesive. As a result, such a connection has a relative unscrewing torque 1.95 times greater compared to the control one.

About the authors

A. V. Sukhov

Email: sukhov-aleksandr96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9097-8216
Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, sukhov-aleksandr96@mail.ru

S. K. Sundukov

Email: sergey-lefmo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4393-4471
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, sergey-lefmo@yandex.ru

D. S. Fatyukhin

Email: mitriy2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5914-3415
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, mitriy2@yandex.ru

References

  1. Бердников Л.А. Основы технологии производства и ремонта автомобилей. Конспект лекций по курсу. – Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2015. – 339 с. – ISBN 978-5-502-01043-6.
  2. Бобровицкий В.И., Сидоров В.А. Механическое оборудование: техническое обслуживание и ремонт. – Донецк: Юго-Восток, 2011. – 238 с. – ISBN 978-966-374-636-4.
  3. Осипов К.Н. К вопросу оценки качества сборки резьбовых соединений в автоматизированном производстве // Автоматизация и измерения в машино-приборостроении. – 2018. – № 1 (1). – С. 23–29. – EDN YMHNXV.
  4. Липка В.М., Рапацкий Ю.Л. Оценка влияния параметров резьбовых крепежных изделий на качество сборки силовых агрегатов автомобилей // Вестник СевНТУ. – Севастополь, 2010. – Вып. 107: Машиностроение и транспорт. – С. 121–127.
  5. ГОСТ ISO 898-1–2014. Механические свойства крепежных изделий из углеродистых и легированных сталей. Ч. 1. Болты, винты и шпильки установленных классов прочности с крупным и мелким шагом резьбы: дата введения 2017–01–01. – М.: Стандартинформ, 2015. – 59 с.
  6. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. – М.: Машиностроение, 1990. – 368 с. – ISBN 5-217-00834-2.
  7. Павленко В.А. Исследование причин ослабления и разрушения болтовых соединений кожуха редуктора тягового двигателя электровоза // Электропривод на транспорте и в промышленности: труды II Всероссийской научно-практической конференции, Хабаровск, 20–21 сентября 2018 г. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2018. – С. 64–69. – EDN YTZTQD.
  8. Study on the fastening property of precision locknut under simulated dynamic impact loading with consideration of interference factors / H.-L. Chang, C.-M. Chen, C.-Y. Lee, Z.-X. Huang // Journal of Mechanics. – 2024. – Vol. 40. – P. 19–30. – doi: 10.1093/jom/ufae001.
  9. Kováciková P., Dubec A., Koštialiková D. The threaded part wear of the tensioner with lock nut // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2020. – Vol. 776 (1). – P. 012094. – doi: 10.1088/1757-899X/776/1/012094.
  10. Жуковский Н.Е. Распределение давлений на нарезках винта и гайки // Жуковский Н.Е. Полное собрание сочинений. Т. 8. – М.: ОНТИ, 1937. – C. 48–54. – ISBN 978-5-458-58194-3.
  11. Achieving uniform thread load distribution in bolted joints using different pitch values / I. Coria, M. Abasolo, A. Gutiérrez, J. Aguirrebeitia // Mechanics & Industry. – 2020. – Vol. 21 (6). – P. 616. – doi: 10.1051/meca/2020090.
  12. Патент на полезную модель № 172373 U1 Российская Федерация, МПК F16B 5/02. Высоконагруженное резьбовое соединение судового машиностроения: № 2017101668: заявл. 19.01.2017: опубл. 05.07.2017, Бюл. № 19 / В.И. Малыгин, Л.В. Кремлева, Н.В. Лобанов; заявитель Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (САФУ).
  13. Патент № 2618644 C Российская Федерация, МПК F16B 39/00, F16B 31/00. Способ изготовления резьбового соединения и снижения нагрузки на его витки у опорного торца гайки: № 2016116108: заявл. 25.04.2016: опубл. 05.05.2017, Бюл. № 13 / Э.Б. Цхай, Л.Е. Столберов, А.А. Клопотов; заявитель Томский государственный архитектурно-строительный университет (ТГАСУ). – EDN ZTWKPZ.
  14. Патент № 2303717 C1 Российская Федерация, МПК F16B 39/00, F16B 39/12. Способ Н.В. Землякова стопорения контргайки относительно крепежной гайки: № 2006101249/11: заявл. 16.01.2006: опубл. 27.07.2007, Бюл. № 21 / Н.В. Земляков.
  15. Optimum design of thin walled tube on the mechanical performance of super lock nut / N.-A. Noda, Y. Xiao, M. Kuhara, K. Saito, M. Nagawa, A. Yumoto, A. Ogasawara // Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering. – 2008. – Vol. 2 (6). – P. 780–791. – doi: 10.1299/jmmp.2.780.
  16. Optimum shape design of the spring to improve the loose-proof performance of the lock nut / H.S. Song, W.-S. Chung, D.-H. Jung, Y.-K. Seo // Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers. – 2010. – Vol. 18 (2). – P. 91–96.
  17. Блехман И.И., Молясян С.А. Об эффективных коэффициентах трения при взаимодействии упругого тела с вибрирующей плоскостью // Известия Академии наук СССР. Механика твердого тела. – 1970. – № 4. – С. 4–10. – EDN VNKOEH.
  18. Применение ультразвуковых колебаний различной поляризации при проведении разборочных операций / В.Ф. Казанцев, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2016. – № 12. – С. 25–28. – EDN XVBTCN.
  19. Блехман И.И. Что может вибрация? О «вибрационной механике» и вибрационной технике. – М.: Наука, 1988. – 207 с. – ISBN 5-02-013808-8.
  20. Improvement of threaded-joint assembly using ultrasound / R.I. Nigmetzyanov, S.K. Sundukov, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin, D.S. Simonov // Russian Engineering Research. – 2021. – Vol. 41 (6). – P. 567–569. – doi: 10.3103/S1068798X21060150. – EDN AHAISB.
  21. Assembly of threaded joints in the presence of shear ultrasound / A.A. Nechai, R.N. Nigmetzyanov, S.K. Sundukov, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (2). – P. 169–171. – doi: 10.3103/S1068798X22020174. – EDN LEXJUE.
  22. Influence of vibration behavior on the energy dissipation of the bolted joints / W. Xu, L. Cai, Z. Liu, Q. Cheng, Y. Li // Proceedings of the ASME 2019 Pressure Vessels and Piping Conference, PVP 2019. Vol. 2: Computer Technology and Bolted Joints. – San Antonio, TX, USA, 2019. – P. V002T02A034. – doi: 10.1115/PVP2019-93409.
  23. Fatigue behavior of re-tightened bolted joints affected by vibration-induced loosening / B. Tanrikulu, R. Karakuzu, S. Dogan, S. Yurtdas // Duda, S., Correia, J.A.F.O., De Jesus, A.M.P. (eds) Fatigue and Fracture of Materials and Structures / ed. by G. Lesiuk et al. – Cham: Springer, 2022. – P. 141–146. – (Structural Integrity; vol. 24). – doi: 10.1007/978-3-030-97822-8_16.
  24. Неверов А.Н. Использование крутильных и изгибных ультразвуковых колебаний для разборки резьбовых соединений // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2015. – № 2 (41). – С. 15–20. – EDN TUVQGR.
  25. Шуваев В.Г., Папшев В.А., Шуваев И.В. Ультразвуковой инструмент для сборки и разборки резьбовых соединений // СТИН. – 2012. – № 5. – С. 37–40. – EDN OXHFEB.
  26. Неверов А.Н. Исследование механизма самораскручивания резьбовых соединений при продольных ультразвуковых колебаниях // Ученые записки физического факультета Московского университета. – 2017. – № 5. – С. 1751202. – EDN YPDCQH.
  27. Мишра А., Неверов А.Н. Применение продольных ультразвуковых колебаний для сборки резьбовых соединений // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2009. – № 1. – С. 3–4.
  28. Крылова И.А., Шуваев В.Г. Повышение эффективности ультразвуковой сборки и разборки резьбовых соединений // Вестник РГАТА имени П.А. Соловьева. – 2018. – № 2 (45). – С. 57–61. – EDN XQRAQX.
  29. Effect of tightening process parameters on the T-F curve of bolts in composite structures / Y. Xuande, D. Xiaogang, G. Tao, Z. Honghao, X. Ying // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2024. – Vol. 238 (8). – P. 3578–3601. – doi: 10.1177/09544062231205181.
  30. Study on influence factors of sealing pipe thread connection / Q. Gao, C. Guo, Gt. Zhang, N. Wu, Wh. He // Proceedings of the International Field Exploration and Development Conference 2023. IFEDC 2023. – Singapore: Springer, 2024. – P. 558–567. – (Springer Series in Geomechanics and Geoengineering). – doi: 10.1007/978-981-97-0256-5_47.
  31. Liu J. Steel structures research update: adhesive steel-to-steel connections // Engineering Journal. – 2023. – Vol. 60 (4). – doi: 10.62913/engj.v60i4.1314.
  32. Kanaval J., Cézová E., Starý F. Screw connections with application of modern insurance sealants and adhesives analysis // Current Methods of Construction Design: Proceedings of the ICMD 2018. – Cham: Springer International Publishing, 2019. – P. 295–301. – doi: 10.1007/978-3-030-33146-7_34.
  33. Influence of thread geometry on the performance of retaining anaerobic adhesives / M.A. Martínez, M. Pantoja, J. Abenojar, J.C. Del Real, F. Velasco // International Journal of Adhesion and Adhesives. – 2011. – Vol. 31 (6). – P. 429–433. – doi: 10.1016/j.ijadhadh.2011.03.004.
  34. Кочетков Д.В., Воячек И.И., Зверовщиков А.Е. Разработка и исследование функциональных моделей резьбовых соединений типа стяжки при сборке с анаэробными материалами // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. – 2016. – № 4 (20). – С. 115–127. – EDN XKOMBJ.
  35. Применение герметиков для уплотнения неподвижных разъемных соединений деталей и узлов в строительных и дорожных машинах / В.В. Буренин, Е.С. Иванина, О.И. Трифонова, Д.К. Воробьев // Механизация строительства. – 2017. – Т. 78, № 8. – С. 35–40.
  36. Неверов А.Н. О механизме вибрационного самораскручивания резьбовых соединений // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2015. – № 1 (40). – С. 46–52. – EDN TKOZLP.
  37. Kumar V.C., Hutchings I.M. Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration // Tribology International. – 2004. – Vol. 37 (10). – P. 833–840. – doi: 10.1016/j.triboint.2004.05.003. – EDN KUMTWV.
  38. Teidelt E., Starcevic J., Popov V.L. Influence of ultrasonic oscillation on static and sliding friction // Tribology Letters. – 2012. – Vol. 48. – P. 51–62. – doi: 10.1007/s11249-012-9937-4.
  39. Nigmetzyanov R.I., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Ultrasonic assembly of press-fit joints // Russian Engineering Research. – 2017. – Vol. 37 (12). – P. 1044–1047. – doi: 10.3103/S1068798X17120139.
  40. Improvement in ultrasound liquid machining by activating cavitational clusters / R.I. Nigmetzyanov, V.F. Kazantsev, V.M. Prikhod'ko, S.K. Sundukov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2019. – Vol. 39 (8). – P. 699–702. – doi: 10.3103/S1068798X19080112.
  41. Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 50–66. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-50-66.
  42. Mason T.J. Ultrasonic cleaning: An historical perspective // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 29. – P. 519–523. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004.
  43. Nolting B.E., Neppiras E.A. Cavitation produced by Ultrasonics // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1950. – Vol. 63 (9). – P. 674. – doi: 10.1088/0370-1301/63/9/305.
  44. A comparison of the effects of ultrasonic cavitation on the surfaces of 45 and 40Kh steels / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 138. – doi: 10.3390/met12010138.
  45. Characterization of focused-ultrasound-induced acoustic streaming / R.B.H. Slama, B. Gilles, M.B. Chiekh, J.C. Bera // Experimental Thermal and Fluid Science. – 2019. – Vol. 101. – P. 37–47. – doi: 10.1016/j.expthermflusci.2018.10.001.
  46. On the acoustic fountain types and flow induced with focused ultrasound / G. Kim, S. Cheng, L. Hong, J.-T. Kim, K.C. Li, L.P. Chamorro // Journal of Fluid Mechanics. – 2021. – Vol. 909. – P. R2. – doi: 10.1017/jfm.2020.1012.
  47. Sajjadi B., Raman A.A.A., Ibrahim S. Influence of ultrasound power on acoustic streaming and micro-bubbles formations in a low frequency sono-reactor: Mathematical and 3D computational simulation // Ultrasonics Sonochemistry. – 2015. – Vol. 24. – P. 193–203. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2014.11.013.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».