Технологическое обеспечение точности многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением

Опыт многих машиностроительных предприятий, а также исследования советских и зарубежных ученых свидетельствуют о тенденциях относительного увеличения трудозатрат на сборку в последние 10−12 лет [3]- в связи с этим, задача снижения трудоемкости сборочных работ является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач технологии машиностроения. Решению этой задачи посвятили свои труды видные советские и российские ученые: Балакшин Б. С, [10, 15], Васильев A.C. [14, 99], Коганов И. А. [37, 56, 58, 78], Колесов И. М. [39, 40, 78], Корсаков B.C. [43, 44], Маликов A.A. [26, 49, 50, 53, 65, 102], Новиков М. П. [61, 62], Суслов А. Г. [97, 98], Ямников A.C. [53, 65, 102].

Трудоемкость узловой и общей сборки составляет в среднем около 30% всей трудоемкости изготовления машин. В массовом и крупносерийном производстве эта доля меньше, а в единичном и мелкосерийном, где выполняется большой объем пригоночных работ, трудоемкость сборки достигает нередко 45.50% и более [18]. Высока себестоимость сборочных работ, что обусловлено преобладанием на сборке преимущественно ручного труда и использованием рабочей силы повышенной квалификации. Последнее характерно и для сборки автоматических машин, где, несмотря на подчас массовый характер производства, широко применяется ручная пригонка ответственных соединений.

Большой объем пригоночных работ при сборке автоматических машин объясняется рядом существенных причин, среди которых немаловажными являются исторические традиции, сложившиеся в рассматриваемых производствах.

Конструкции и производство автоматических машин сложились на основе оружейного производства — первого массового производства машин, основанного на принципах взаимозаменяемости [38, 59, 105, 106]. Достижение взаимозаменяемости в то время (17−18 вв.) основывалось на ручной слесарной пригонке деталей по эталонам (лекалам). Конструкции ружей (охотничьих), сложившиеся в то время и почти не изменившиеся до настоящего времени, предусматривали возможность достижения точности только ручной пригонкой.1.

Таким образом, первая причина большого объема пригоночных работ при сборке автоматических машин заключается в переносе исторически сложившихся в оружейном производстве традиционных решений по обеспечению точности на конструкции автоматических машин.

Второй причиной является стремление конструкторов автоматических машин обеспечить возможно более полный контакт поверхностей деталей, воспринимающих высокие динамические нагрузки при функционировании [5, 19, 86].

В связи с этим на сборочных чертежах указывается, каким (в процентах от номинальной площади контакта) должен быть контакт поверхностей, а иногда дополнительно указывается и предпочтительная зона расположения контакта.

До последнего времени отсутствовали какие-либо методические указания по переводу норм контакта в отклонения линейных и угловых величин. Поэтому технологи, не зная, какие допуски, следует назначать на обработку сопряженных поверхностей, вынуждены вводить в технологические процессы сборки операции ручной пригонки.

Методика перевода норм контакта в отклонения линейных и угловых величин, изложенная в работе [58], и, выполненная для условий сопряжения деталей автоматических машин, предусматривает контроль полноты контакта по отпечатку на предварительно закопченной поверхности.

1 Исторический опыт оружейного производства, как нельзя лучше подтверждает тот факт, что конструкция любого изделия является отражением достигнутой технологии. В 17−18 веке единственным надежным методом достижения точности являлась слесарная обработка. Это и нашло соответствующее отражение в конструкциях ружей. Так, например, наличие в замковых соединениях труднодоступных для станочной механической обработки мест, по-видимому, и объясняется изложенными соображениями.

Согласно методике допуски на отклонения размеров формы сопряженных поверхностей находятся, примерно, в пределах 0,014.0,027 мм. Для выдерживания столь жестких допусков необходима разработка специальных приемов (сопряженной) обработки и методов контроля. Отсутствие таких приемов и методов есть третья причина большого объема пригоночных работ при сборке автоматических машин.

Актуальность темы

диссертации.

Трудоемкость узловой и общей сборки составляет в среднем около 30% всей трудоемкости изготовления машин. В массовом и крупносерийном производстве эта доля меньше, а в единичном и мелкосерийном, где выполняется большой объем пригоночных работ, трудоемкость сборки достигает нередко 45.50%. Высока себестоимость сборочных работ, что обусловлено преобладанием на сборке преимущественно ручного труда и использованием рабочей силы повышенной квалификации. Последнее характерно и для сборки автоматических машин, где, несмотря на подчас массовый характер производства, широко применяется ручная пригонка ответственных соединений.

При слесарной пригонке рабочий собирает узел, предварительно нанеся слой копоти регламентированной толщины на одну из прилегающих при сборке поверхностей. Затем поверхности в подсобранном механизме приводятся в соприкосновение с помощью штатной пружины механизма. По площади пятна контакта рабочий делает заключение о годности сборки.

Если площадь контакта не достигает необходимой величины или если заданное выступание плеча рычага не соответствует допуску, то рабочий разбирает узел и снимает компенсационный припуск, специально оставленный на звене-компенсаторе. Эти приемы могут повторяться от 3-х до 7 раз в зависимости от точности изготовления составляющих звеньев размерной цепи и квалификации рабочего.

Механизация съема припуска возможна, если на станочной позиции будет создана имитация собираемого механизма (технологическая модель).

Однако для успешного достижения точности при сборке необходимо обеспечение тождественности размеров звеньев механизма и технологической модели. Наличие разброса размеров деталей механизма и станочной модели приводит к нарушению этого требования. Следовательно, требуется сопоставительный анализ размерных связей собираемого механизма и его технологической модели и разработка теоретического обоснования разрешения этих противоречий.

Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность выходных параметров узлов автоматических машин и снижающих трудоемкость их изготовления, является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Регистрационный номер: 7.1439.2011 19.59.2011).

Объектом исследования является технологический процесс пригонки сопрягаемых поверхностей деталей автоматики высокотемпных изделий.

Предметом исследования является установление и исследование внешних и внутренних размерных связей узлов при сборке рычажных механизмов и закономерностей технологического процесса их механизированной пригонки.

Целью настоящей работы является выявление закономерностей размерных связей, проявляющихся при сборке узлов рычажных механизмов, точность прилегания контактирующих поверхностей которых нормирована по пятну контакта, обоснование и разработка специальных приспособлений и приемов станочной обработки, позволяющих, в совокупности, исключить необходимость привлечения рабочей силы высокой квалификации для ручной пригонки.

Для достижения названной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Анализ специфичных особенностей решения размерных цепей многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки, а также составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.

3. Обоснование рациональных приемов достижения точности замыкающих звеньев рычажных механизмов с переменным передаточным отношением и компоновки устройств для механизации пригоночных работ.

4. Обоснование размерно-точностных параметров станочной позиции для механизированной пригонки звена — компенсатора многозвенного рычажного механизма с переменным передаточным отношением.

5. Реализация обоснованных схемных решения в виде конкретных конструкций технологической оснастки, а также технологических приемов для механизированной пригонки типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории размерных связей, общей технологии машиностроения, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

1. Теоретическое обоснование неизбежности пригоночных работ при сборке рычажных механизмов с точностью, нормируемой по пятну контакта, в случае, когда деталь-компенсатор одновременно входит в 2 связанные размерные цепи.

2. Результаты экспериментального определения влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки, а также экспериментального определения составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.

3. Положение о том, что механизация пригоночных работ рассматриваемых механизмов в принципе возможна, если при доработке детали-компенсатора использовать ту же схему базирования, что и в рабочем механизме.

4. Технологическую модель собираемого механизма, имитирующего взаимодействие деталей во время съема компенсационного припуска.

5. Математическую модель станочной позиции, связывающую фактические значения размеров и положения звена — компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом).

6. Алгоритм и программу для интерактивного определения взаимного влияния размеров звена — компенсатора и станочной позиции на замыкающий размер, а также допустимых отклонений составляющих звеньев размерной цепи.

7. Результаты моделирования, показывающие, что в рассматриваемом примере нельзя использовать приспособление с жестко заданными размерами, а нужно вводить размерную регулировку по составляющему звену с наибольшим передаточным отношением.

8. Методику линеаризации передаточных отношений составляющих звеньев размерной цепи, оценки погрешности линеаризации и уменьшения погрешности до доверительного уровня.

9. Конструкторско — технологические разработки, реализующие теоретически обоснованные схемные решения.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что:

— разработана математическая модель станочной позиции, связывающая фактические значения размеров и положения звена — компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом),.

— разработана методология решения размерных цепей типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением, реализованная в виде алгоритма и программного обеспечения.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

— создана возможность для анализа влияния размеров механизма и станочной позиции для механизированной пригонки на замыкающие размеры механизма, а также принятия решения о допустимых значениях погрешностей звеньев или обоснования перехода к механизированной пригонке,.

— предложены конструкции технологической оснастки и приемы механизированной пригонки звена — компенсатора типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением, что позволяет избавиться от ручного труда высококвалифицированных рабочих и обеспечить стабильность времени пригонки.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ТОЗ» и ОАО «АК Туламашзавод». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 552 900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (Россия, Тамбов, 29 ноября 2011 г.), Международной юбилейной НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии» в Липецке, XV Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии» — Технология-2012″, посвященной 120-летию со дня рождения H.H. Поликарпова в Орле.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, — 5- статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов — 3- из них статей без соавторства — 2.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 113 наименований, 2 приложений на 4 стр. и включает 149 с. основного печатного текста, содержащего 49 ил., 9 табл. Общий объем 166 с.

4.5. Выводы.

1. В разделе дано описание спроектированной и изготовленной оснастки и результаты ее внедрения для спускового механизма (обработка двуплечего рычага).

2. Механизация пригонки при сборке спускового механизма осуществляется с помощью шлифовальной станочной позиции, созданной на базе шлифовального станка мод. ЗГ71. Конструктивное оформление позиции и назначение норм точности для ее изготовления производились в соответствии с теоретическими предпосылками и расчетными методиками, изложенными в третьем разделе.

Заключение

и общие выводы.

Теоретические и экспериментальные исследования" выполненные в настоящей диссертации" позволяют сделать вывод о реальной возможности исключения ручных пригоночных работ при сборке автоматических машин. В диссертации решена важная для машиностроения научная задачаразработка и обоснование способов и средств механизации пригоночных работ при сборке многозвенных рычажных механизмов, обеспечивающих заданную точность выходных параметров узлов автоматических машин и снижающих трудоемкость их изготовления.

Сделаны следующие выводы:

1. Доказана обоснованность применения пригоночных работ при сборке многозвенных рычажных механизмов с точностью, нормируемой по пятну контакта, в случае, когда деталь-компенсатор одновременно входит в 2 связанные размерные цепи.

2. Экспериментально определено влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки.

Доказана возможность теоретического определения составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей контактные деформации сопрягаемых поверхностей деталей сборочной единицы. Расчет контактных сближений можно производить по известным формулам, исходя из прилегания поверхностей по красящему слою. Переход от контурной площади контакта поверхностей к прилеганию по красящему слою должен корректироваться введением поправочных коэффициентов, учитывающих раскрытие стыка в зоне контакта поверхностей и погрешности их формы.

3. Экспериментально определена составляющая допуска замыкающего звена, учитывающая погрешности формы сопрягающихся поверхностей. Доказано, что в рассматриваемом рычажном механизме нет необходимости вносить поправки, учитывающие погрешности формы сопрягаемых поверхностей, вследствие незначительного их влияния на размер замыкающего звена.

4. Обосновано положение о том, что механизация пригоночных работ многозвенных рычажных механизмов в принципе возможна, если при доработке детали-компенсатора использовать ту же схему базирования, что и в рабочем механизме. Разработана технологическая модель собираемого механизма, имитирующая взаимодействие деталей во время съема компенсационного припуска.

5. Создана математическая модель станочной позиции, связывающая фактические значения размеров и положения звена — компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом).

6. Разработаны алгоритм и программа для интерактивного определения взаимного влияния размеров звена — компенсатора и станочной позиции на замыкающий размер, а также допустимых отклонений составляющих звеньев размерной цепи.

7. Результаты моделирования, показывают, что в рассматриваемом примере нельзя использовать приспособление с жестко заданными размерами, а нужно вводить размерную регулировку по составляющему звену с наибольшим передаточным отношением. Такая регулировка включена в технологическую модель.

8. Моделирование показало также, что передаточные отношения звеньев рычажного механизма имеют переменные значения, выражаемые трансцендентными функциями. Для расчета мгновенного значения передаточных отношений разработана методика их линеаризации, оценки погрешности линеаризации и минимизации погрешности по критерию согласия Чебышева.

9. Выполнены конструкторско — технологические разработки, реализующие теоретически обоснованные схемные решения, внедренные на ОАО «ТОЗ» и ОАО «АК ТУЛАМАШЗАВОД». Использование разработанной технологии уменьшает время пригонки более чем в 2 раза, уменьшает трудоемкость ручных работ высококвалифицированными рабочими и создает предпосылки для стабилизации ритма технологического процесса сборки узлов автоматики.