Проектирование заходных фасок на основе параметров сборочного процесса

Изготовление машиностроительными предприятиями современных высококачественных машин, аппаратов, приборов и оборудования для различных отраслей промышленности является неотъемлемой частью технического и экономического роста любой страны, основой для производства качественной конкурентоспособной на мировом рынке продукции.

В обеспечении высокого качества выпускаемой машиностроительной продукции значительную роль играют применяемые для ее изготовления технологические процессы механической обработки деталей и сборки изделий.

Ответственным этапом в производстве машин и оборудования является их сборка. Качество выполнения сборочных работ в конечном итоге определяет качество готового изделия. Даже при качественном изготовлении деталей машин и оборудования небрежная их сборка может привести к появлению некачественной продукции.

Учитывая влияние сборочных работ на качество готовой продукции, а также тот факт, что эти работы составляют до 40% от общего объема трудовых затрат на изготовление продукции [58, 60], следует обратить особое внимание на реализацию и совершенствование технологических процессов сборки (Таблица 1 и 2).

В последние десятилетия заготовительные и обрабатывающие операции автоматизировались значительно более высокими темпами, чем сборочные. Появление различных станков-автоматов, оборудования с числовым программным управлением и автоматических линий, а также новых технологических процессов, позволяющих резко сократить трудоемкость операций по изготовлению деталей (например, холодная объемная штамповка, литье по выплавляемым моделям, литье под давлением), способствовало значительному снижению трудоемкости этих операций, в том числе в мелкосерийном и единичном производстве. Это привело к тому, что доля трудоемкости сборочных операций в общей структуре производства машин выросла до 20.40%, а в условиях единичного, мелкосерийного и среднесерийного производства она составляет 30.70% [22].

Таблица 1.

Распределение сборочных работ по отдельным отраслям машиностроения.

Отрасль Объем сборочных работ в % от общей трудоёмкости изготовления изделий Состав сборочных работ, % к их объему механизированные ручные.

Тяжелое машиностроение 30.35 15. 20 80. 85.

Станкостроение 25.30 22. 25 75.78.

Автомобилестроение 18.20 50. 55 45. 50.

Тракторное и 20.25 40. 50 50. 60.

Электромашиностроение 35.40 25. 30 70. 75.

Строительное и дорожное 25. 30 35. 40 60. 65.

Таблица 2.

Распределение сборочных работ по типам производств.

Тип производства Доля сборочных работ в общей трудоемкости изготовления машин, %.

Массовое и крупносерийное Серийное Индивидуальное и мелкосерийное 25.30 25.:35 35.40.

Вместе с тем в настоящее время в машиностроении механизировано 25.30% сборочных операций, а автоматизировано не более 8% [22]. При этом в основном автоматизируют сборочные операции в массовом производстве. В то же время доля серийного производства в современном машиностроении увеличивается, рынок требует постоянного обновления продукции, ее стабильно высокого качества и конкурентоспособности.

Сборочные процессы в современном серийном и мелкосерийном машиностроительном производстве характеризуются низким уровнем механизации и автоматизации, что обусловлено рядом причин:

— большая номенклатура собираемых изделий, которая требует гибких, легко изменяющихся сборочных процессов;

— большое разнообразие кинематических связей в собираемых изделиях, которое возрастает по мере увеличения количества деталей в собираемых узлахотсутствие универсального высокопроизводительного сборочного оборудования, что приводит к необходимости его разработки для отдельных, конкретных сборочных операций, что экономически невыгодно.

Одной из причин низкого уровня механизации и автоматизации сборочных процессов является несоответствие конструкций деталей требованиям автоматической сборки, т. е. низкая технологичность конструкций, обусловленная низкой унификацией конструктивных элементов деталей.

Все это приводит к тому, что при выполнении сборочных работ средства механизации и автоматизации применяются существенно меньше, чем при механической обработке. Это подтверждается тем, что основные фонды сборочного производства составляют менее 10% от общих основных фондов предприятий машиностроения РФ [58].

В изделиях машиностроения имеется большое количество разнообразных соединений деталей, причем около 35. 40% деталей соединяются по цилиндрическим поверхностям [58, 59]. Если учесть и детали, сопрягаемые по сочетанию цилиндрических и конических с плоскими поверхностями, а таюке существующую тенденцию на замену шлицевых и шпоночных соединений на детали с поверхностями вращения, то удельный вес этих соединений составит значительную величину — 50.60% от общего количества.

Доминирующим видом соединений, сопрягаемых по поверхностям вращения, являются соединения с гарантированным зазором. Зазоры, образующиеся в процессе сборки между поверхностями деталей машин, молено разделить на:

— посадочные — зазоры, необходимые для обеспечения подвижности деталей в соединениях (табл. 3);

— рабочие — зазоры, являющиеся обязательным элементом конструкции изделия, посредством которого изделия реализуют свои функции, например, рабочие зазоры между ротором и статором электродвигателей, величина которых составляет от 0,50 до 0,03 мм на диаметр в зависимости от типоразмера [34].

Таблица 3.

Примеры применения предпочтительных посадок ЕСДП.

Посадка Рекомендуемая область применения Величина диаметральных посадочных зазоров при номинальном значении диаметра, мм.

30 60.

H7/h6 H8/h7 для неподвижных соединений, часто подвергаемых разборке и регулированию и допускающих проворачивание или продольное перемещение (для установки сменных зубчатых колес в станках и механизмах, сменных кондукторных втулок и др.) 0,017±0,017 0,027+0,027 0,025±0,025 0,038+0,038.

H7/g6 в точных подвижных соединениях, в которых требуется обеспечить герметичность при перемещении одной детали в другой, а также плавность и точность перемещенийдля подшипников скольжения особо точных механизмов (шпиндели точных станков, сменные втулки в кондукторах, передвижные шестерни на валах коробок передач, плунжерные пары и др.), 0,024±0,017 0,03 5±0,025.

Таблица 3. Продолжение Примеры применения предпочтительных посадок ЕСДП.

Посадка Рекомендуемая область применения Величина диаметральных посадочных зазоров при номинальном значении диаметра, мм.

30 60.

H8/h8 для соединения деталей, которые должны легко передвигаться при настройке и регулировании с последующей затяжкой в рабочем положениидля установки на валы деталей, передающих крутящие моменты через штифты и шпонки и др. 0,033±0,033 0,046±0,046.

H7/f7 F8/h6 для неподвижных соединений при невысокой точности центрирования деталей, допускающих их легкую сборку и разборку (поршень в гидроцилиндрезубчатые колеса и муфты, перемещаемые на валахподшипники скольжения легких и средних машин, редукторов, насосов и др.) 0,041 ±0,021 0,043+0,023 0,060±0,030 0,063±0,033.

HI 1/hll для относительно грубо центрированных неподвижных соединений (для центрирующих фланцев крышек и корпусов арматурыдля крышек сальников в корпусах и др.) • 0,130±0,130 0,190±0,190.

Hll/dll для подвижных соединений низкой точности и для неподвижно грубо центрированных соединений, работающих в условии загруженности и напыления — 0,195±-0Д30 0,260±0,160.

Основная трудность автоматизации сборочных процессов при соединении деталей по поверхностям вращения с гарантированным зазором заключается в том, что часто происходит заклинивание соединяемых деталей, особенно в начальный момент соединения, из-за несовпадения осей сопрягаемых • поверхностей деталей. Вследствие этого коэффициент использования сборочных машин нередко слишком мал — около 35.42% [50, 68]- Погрешность позиционирования, обеспечиваемая большинством сборочных устройств с жестким базированием соединяемых деталей, не превышает 0,02.ОД0 мм [23]. Обеспечение соединения деталей без заклинивания с меньшими значениями зазоров требует применения специальных устройств.

Учитывая необходимость решения социальных задач: исключение монотонных и тяжелых работ, а также все изложенное выше, актуальной задачей современного этапа развития технологии машиностроения является исследование и совершенствование процессов автоматического соединения деталей по поверхностям вращения с гарантированным зазором.

Цельюработы является повышение эффективности автоматизированных операций соединения деталей по цилиндрическим поверхностям путем использования заходных фасок на сопрягаемых поверхностях или направляющих элементах оснастки, форма которых спроектирована на основе параметров сборочного процесса.

Объектом исследования в настоящей работе является технологический процесс автоматизированной сборки деталей нормальной точности по цилиндрическим поверхностям с гарантированным зазором. Результаты исследований рекомендуется применять при величине зазора между сопрягаемыми поверхностями не менее 0,03.0,05 мм, так как при меньших зазорах величина допуска на размеры фаски, позволяющей соединить детали без заклинивания, уменьшается до несколько микрометров, что приводит к чрезмерной сложности изготовления таких фасок. Масса устанавливаемого вал не должна превышать 0,5.0,7 кг, так как при большей массе в процессе установки деталей по спроектированным фаскам под действием собственной силы тяжести возникают значительные инерционные силы, способные приводить к повреждению сопрягаемых поверхностей при их возможном соударении.

Научной и методической базой для выполнения работы явились основополагающие разделы технологии машиностроения: теории точности, базирования и размерных цепей, положения теории машин и механизмов, теоретической механики.

Найденные закономерности позволяют конструктору и технологу в зависимости от параметров сборочного процесса принимать научно-обоснованные решения при проектировании заходных фасок на сопрягаемых поверхностях соединяемых деталей и направляющих элементах сборочной оснастки, предотвращающих возможное заклинивание.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— установлена и формализована технологическая взаимосвязь между геометрическими и физико-механическими параметрами сборочного процесса и формой заходных фасок на сопрягаемых цилиндрических поверхностях соединяемых деталей и/или направляющих элементов сборочной оснастки;

— научно обосновано применение фасонных заходных фасок, спроектированных на основе параметров сборочного процесса, на сопрягаемых поверхностях соединяемых деталей и/или направляющих элементах сборочной оснастки для предотвращения заклинивания.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждены проверками их эффективности при проектировании автоматизированных средств технологического оснащения операций сборки электродвигателей и экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— формализовано решение задачи определения формы и значений геометрических параметров заходных фасок на сопрягаемых поверхностях и направляющих элементах сборочной оснастки с целью предотвращения заклинивания соединяемых деталей типа вал-втулка и обеспечения универсальности средств технологического оснащения на основе параметров сборочного процесса. Разработана программа для проектирования заходных фасок на ЭВМ;

— на основе полученных решений спроектированы средства технологического оснащения для операции установки ротора в статор электродвигателя. Исследования, проведенные на экспериментальных образцах спроектированной оснастки, подтвердили её эффективность в условиях многономенклатурного автоматизированного производства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлена и формализована технологическая взаимосвязь между геометрическими и физико-механическими параметрами сборочного процесса и формой заходных фасок на сопрягаемых поверхностях соединяемых деталей и направляющих элементов сборочной оснастки. Выявлены соответствующие геометрические и сило-моментные зависимости.

2. Формализовано решение задачи определения формы заходной фаски, исключающей заклинивание деталей, соединяемых по цилиндрическим поверхностям, на основе заданных значений параметров сборочного процесса. Разработаны алгоритмы и программы для определения формы заходной фаски на ЭВМ. Это позволило спроектировать заходные фаски на охватывающих поверхностях, которые позволяют, используя поверхность фаски как двойную направляющую базу, устанавливать без заклинивания валы, например:

— диаметром 20 мм и длиной 80 мм в отверстие втулки с зазором 0,2 мм, при этом наружный диаметр фаски — 22 мм и допустимый начальный угол между осями сопрягаемых поверхностей — 24°37 ;

— диаметром 20 мм и длиной 160 мм в отверстие втулки с зазором 0,2 мм, при этом наружный диаметр фаски — 50 мм и допустимый начальный угол между осями сопрягаемых поверхностей — 66°25 и др. Это позволило также спроектировать заходные фаски на охватываемых поверхностях, которые позволяют, используя поверхность фаски как двойную направляющую базу, устанавливать без заклинивания втулки с параметрами, например:

— диаметром отверстия во втулке 20,4 мм и длиной 53 мм на вал с зазором 0,2 мм, при этом допустимый начальный угол между осями сопрягаемых поверхностей —16°20;

— диаметром отверстия во втулке 60 мм и длиной 59 мм на вал с зазором.

0,2 мм, при этом допустимый начальный угол между осями сопрягаемых j поверхностей -14°35 .

3. Установлено влияние параметров сборочного процесса (геометрических параметров соединяемых деталей, места приложения, направления и величины сборочной силы, значения коэффициента контактного трения и др.) на форму и размеры проектируемой заходной фаски, исключающей заклинивание соединяемых посредством ее деталей. Например, при установке вала диаметром 20 мм и длиной 80 мм в отверстие втулки с зазором 0,2 мм при наружном диаметре фаски 22 мм и допустимом начальный угле между осями сопрягаемых поверхностей 24°37 изменение принятого значения коэффициента трения в местах контакта сопрягаемых поверхностей с 0,1 до 0,2 и 0,3 приводит к увеличению длины фаски с 11 мм до 14 мм и 18 мм соответственно.

4. Обоснована возможность проектирования заходной фаски на направляющих элементах сборочной оснастки, обеспечивающей соединение деталей заданной номенклатуры без заклинивания. Так, например, были спроектированы направляющие элементы для сборочной оснастки с фаской на охватывающей поверхности, позволяющей устанавливать с ее помощью валы с параметрами: диаметр 20 мм и длина 120 мм, диаметр 25 мм и длина 100 мм, диаметр 40 мм и длина 40 мм без изменения формы фаски на направляющих элементах оснастки. Также, например, были спроектированы направляющие элементы для сборочной оснастки с фаской на охватываемой поверхности, позволяющей устанавливать с ее помощью втулки с параметрами: диаметр отверстия 60 мм и длиной 59 мм, диаметром отверстия 90 мм и длиной 93 мм, диаметром 120 мм и длиной 124 мм без изменения формы фаски на направляющих элементах.

5. Спроектированы и изготовлены две экспериментальные установки, позволяющие моделировать форму заходных фасок на охватывающих и охватываемых поверхностях соответственно. В результате выполненных экспериментальных исследованиях на спроектированных установках подтверждена адекватность математических моделей, принятых в теоретических расчетах. Погрешность сходимости теоретических и экспериментальных результатов не превышает 12,4%.

6. На основе выполненных исследований спроектированы заходные фаски на направляющих элементах сборочной оснастки для операции автоматической установки ротора в статор электродвигателя. Практические исследования, выполненные с помощью спроектированной оснастки, подтвердили возможность автоматизированного соединения четырех типоразмеров роторов и статоров электродвигателей (размеры сопрягаемых поверхностей наибольшего и наименьшего из которых отличаются на 27%) без заклинивания и без изменения формы заходной фаски, что подтвердило эффективность принятых конструкторско-технологических решений.