автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование и разработка методов ориентации деталей по отклонениям от круглости при сборке высокоточных цилиндрических соединений

ВВЕДЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИИ КАЧЕСТВА ВЫСОКОТОЧНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ НА ЭТАПЕ СБОРКИ

1.1. Конструктивные и технологические особенности высокоточных цилиндрических соединений с натягом в машиностроении

1.2. Влияние отклонения от круглости ответственных поверхностей цилиндрических соединений на эксплуатационные показатели изделия

1.3. Формирование отклонений формы поверхностей высокоточных цилиндрических соединений с натягом при сборке.

1.4. Анализ теоретических исследований точности формы при сборке соединений с натягом.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ФОРМЫ ОТВЕТСТВЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВЫСОКОТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ СБОРКЕ С НАТЯГОМ.

2.1. Теоретическое исследование механизма формирования отклонений формы ответственной поверхности при сборке высокоточных соединений с натягом.

2.2. Теоретическая разработка метода управления отклонениями формы ответственной поверхности при сборке высокоточных соединений с натягом

2.2.1. Теоретическое определение отклонений от круглости ответственной поверхности реального соединения при сборке с натягом.

2.2.2. Технологические основы полигармонического метода РПО.

2.3. Разработка оценки эффективности радиальной параметрической ориентации

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ ОРИЕНТАЦИИ ПО ОТКЛОНЕНИЯМ ОТ КРУГЛОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

3.1. Методика проведения экспериментальных.исследовании

3.2. Исследование технологической наследственности отклонений формы при сборке цилиндрических соединений.

3.3. Исследование эффективности методов РПО при сборке.

3.4. Исследование влияния РПО при сборке шпиндельных узлов на их вибрацию.

3.4.1. Методика испытаний

3.4.2. Результаты экспериментов

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УЧАСТОК ОРИЕНТИРОВАННОЙ СБОРКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

4.1. Принципиальная структура и технологические функции автоматизированного участка сборки

4.2. Устройство для оснащения автоматизированного участка сборки

4.3. Исследование технологических возможностей сборочного устройства

Развитие современного машиностроения характеризуется неуклонным повышением требований к точности и надежности выпускаемых машин. Обеспечение этих условий возможно на основе создания высокоточного металлообрабатывающего оборудования, всемерного совершенствования технологии изготовления и сборки изделий.В"Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" подчеркнуто, что необходимо повысить точность металлообрабатывающих станков не менее чем на 20-30%.

В производстве машин большой резерв повышения их точности и роста выпуска имеет этап сборки. Например, при производстве высокоточных станков трудоемкость сборки нередко достигает 55-60% [ 10 ] из-за преобладания на сборке ручного труда высокой квалификации и трудностей обеспечения требуемой точности изделий, особенно соединений с натягом. Неподвижные посадки широко используются при установке подшипников, кондукторных втулок, направляющих элементов, стаканов, гильз и т.д.

Значительное влияние на качество изделий оказывают отклонения формы рабочих поверхностей высокоточных соединений, которые регламентируются в технических условиях величинами микрометрического уровня. Они резко ухудшают такие показатели качества станков, как долговечность, точность обработки, увеличивают вибрацию, износ и т.д. В результате сборки исходная точность формы теряется и изделие подвергается разборке и повторной сборке или дополнительно обрабатывается. Изменение точности формы поверхностей деталей во многом определяется сочетанием отклонений формы их сопрягаемых поверхностей при сборке. До настоящего времени методы управления точностью формы ответственных поверхностей при сборке не нашли ещё должного освещения. Рекомендации по использованию существующих методов ориентации деталей по отклонениям формы носят противоречивый характер, существует неопределенность в оценке их эффективности, отсутствуют научно-обоснованные критерии выбора параметров ориентации. Вышесказанным определяется актуальность решения проблемы обеспечения точности изделий при снижении трудоемкости сборки и необходимость проведения дополнительных исследований.

Целью данной работы является разработка методов управления точностью формы ответственной поверхности изделий при сборке на основе более глубокого изучения технологической наследственности отклонений формы.

Научная новизна и значимость представленной работы заключается в выявлении сущности и особенностей технологического наследования отклонений формы при сборке высокоточных неподвижных соединений. Впервые получены точные аналитические зависимости для прогнозирования формы ответственной поверхности при их сборке. Разработаны основные принципы проведения сборки с ориентацией по отклонению от круглости и новый метод ориентирования деталей. Предложены критерии, позволяющие оценить эффективность методов ориентации и установить возможности их использования при сборке высокоточных соединений с натягом. Разработаны конструкции автоматических устройств для сборки с ориентацией и определены их технологические возможности.

На защиту выносятся аналитические решения для прогноза точности сборки высокоточных цилиндрических соединений с натягом, технология и методика сборки с ориентацией по отклонениям от круглости всех поверхностей собираемых деталей, принципиальная структура автоматизированного участка сборки подобных соединений и устройство для ее выполнения.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- диаметр (радиус) отверстия охватываемой детали. с1о(Го) - диаметр (радиус) посадки. оСго) -Диаметр (радиус) посадочной поверхности охватываемой детали. ¿о(Го)-диаметр (радиус) посадочной поверхности охватывающей детали. ^2(^2)- диаметр( радиус) нарукной поверхности охватывающей детали, д - натяг в соединении. Н1 - толщина стенки охватываемой детали. I/ - толщина стенки охватывающей детали.

1 ~ отклонение от круглости ответственной поверхности тонкостенной детали(отверстия и наружной поверхности соответственно). 8д -отклонение от круглости посадочной поверхности охватываемой детали. §д-отклонение от круглости посадочной поверхности охватывающей детали. сб у §2сб -отклонение формы в поперечном сечении ответственной поверхности соединения корпус-тонкостенная деталь и вал-тонкостенная деталь соответственно, е -эксцентриситет наружной и внутренней поверхностей тонкостенной детали. ос=гч/г0; £>= г2/г0 -коэффициенты, характеризующие размеры деталей, ср -текущий угол в полярной системе координат. П0 , п1 , т-,. - коэффициенты ряда Фурье. l - номер гармоники.

Si - амплитуда 1-й гармоники. pL -начальная фаза 1-й гармоники.

8 -угол ориентации деталей по отклонениям от круглости. 8опт -оптимальный с точки зрения точности сборки угол ориентации деталей, коэффициент наследования для 1-й гармоники. 6"г, Gípj^rq) - нормальное, окружное и касательное напряжения в полярных координатах. U, V -радиальные и окружные перемещения точек тела соответственно.

Un7 vn -радиальные и окружные перемещения соответственно от отклонений от круглости посадочных поверхностей, ф - функция напряжений Эри.

Q0 , &o,c0,d0, а'0, ai, bl, cl, dl -произвольные постоянные функции ¿эр и . Е',^', Е", тГи - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала охватываемой и охватывающей деталей соответственно. Е0= Е , У0 =Т - для условий плоского деформированного состояния.

Е0=Е(l+2-r)/0+f)2 ; V"0 = V"/(1 + V) - для условий плоского напряженного состояния. G - модуль упругости при сдвиге. Щ - коэффициент толстостенности. коэФФициент голстостенности охватываемой и охватывающей деталей соответственно, ё - смещение центров деталей при сборке.

ВЫВОДЫ

1. Управление точностью формы ответственной поверхности на этапе сборки высокоточных цилиндрических соединений с натягом возможно за счет применения радиальной параметрической ориентации деталей. Установлено, что при сборке реальных деталей с РПО для получения соответствующего эффекта необходимо учитывать первоначальные отклонения от круглости всех их поверхностей.

2. В процессе сборки соединения с натягом происходит неравномерная радиальная деформация тонкостенной детали, которая в случае наличия натяга в соединении большем, чем суммарная величина отклонения от круглости посадочных поверхностей, зависит от исходных отклонений от круглости этих поверхностей, взаимной ориентации деталей при сборке, их размеров и конструктивного вида, а также материалов, из которых они изготовлены.

3. Сборку высокоточных соединений с натягом целесообразно проводить с применением разработанного полигармонического метода РПО. Он обеспечивает уменьшение отклонения от круглости ответственной поверхности соединения в 2.3 раза. Данный метод дает возможность определять оптимальный угол ориентации с большей точностью, чем по другим методам.•

4. Эффективность сборки с применением РПО зависит от соотношения параметров амплитудно-фазового спектра отклонений формы поперечного профиля посадочных и ответственной поверхностей собираемых деталей. Метод РПО эффективно влияет на точность формы ответственной поверхности соединения при соотношении амплитуд одноименных гармоник посадочных поверхностей в пределах 0,3.5,5.

5. Для сборки высокоточных соединений метод РПО по максимальным биениям применять не рекомендуется. Метод сдвига начальных фаз доминирующих гармоник может быть использован только в частных случаях, характеризуемых наличием ярко выраженной гармоники одного номера на поверхностях собираемых деталей и условии, что отклонение от круглости посадочной поверхности тонкостенной детали мало по сравнению с точностью других поверхностей. Ориентация деталей по разностенности, оказывающей влияние на точность изделия, допустима при эксцентриситете тонкостенной детали более 12.15 мкм.

6. Прогнозирование формы поперечного профиля ответственной поверхности высокоточных цилиндрических соединений с натягом целесообразно проводить на основе разработанных теоретических моделей технологического наследования отклонений от круглости. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при сборке большинства реальных соединений корпус-кольцо коэффициент наследования гармоник с малым номером ( I = 2, 3, 4-, 5) может быть больше единицы, а при сборке соединений вал-кольцо коэффициент наследования всегда остается меньше единицы.

7. Расчет оптимального угла ориентации по полигармоническому методу и прогнозирование точности сборки рекомендуется осуществлять с учетом наличия касательных напряжений на поверхностях контакта. При отклонении от круглости посадочных поверхностей деталей менее 0,2-0,3 мкм этот расчет можно проводить без учета касательных напряжений.

8. Сборку высокоточных цилиндрических соединений с натягом с ориентацией по полигармоническому методу РПО целесообразно проводить в условиях разработанного автоматизированного сборочного комплекса с использованием современных средств контрольно-измерительной и вычислительной техники.

9. Разработанное оригинальное сборочное устройство позволяет надежно собирать соединения с гарантированным сборочным зазором до 10 мкм при начальном несовпадении центров деталей 1,5-2 мм.

10. Проведение сборки отделочно-расточных головок с ориентацией по полигармоническому методу позволило уменьшить в 2 раза радиальное биение шпинделя и на 10.15% снизить уровень вибрации.

11. В результате проведенных исследований разработаны рекомендации по использованию различных методов РПО при сборке высокоточных соединений с натягом в станкостроении. Внедрение разработанных рекомендаций дало экономический эффект 1170 руб. на одном станкостроительном заводе.

1. Абдулов А.Н., Шустер В.Л. Искажение профиля детали при записи круглограмм.-Станки и инструмент, 1965, №9,с.22-24.

2. Амензаде Ю.А. Об одной задаче упругого равновесия сопряженных посредством посадки кусочно-однородных плоских сред.--Известия АН СССР. Механика и машиностроение, 1963, Ш 5,с. 179-186.

3. Антипин U.K. Напряженное состояние круглой пластины с запрессованным в нее равноосным диском.-Известия вузов. Машиностроение, 1971, № 12, с. 5-9.

4. Арпентьев Б.Н. Электромагнитная сборка соединений по цилиндрическим посадочным поверхностям.- В кн.: Научные основы автоматизации сборки машин / Под ред. М.П.Новикова.- М.Машиностроение, 1976, с. 253-259.

5. Балакшин Б.С. Применение систем адаптивного управления при автоматизации сборки изделий. В кн.: Научные основы автоматизации сборки машин / Под ред. М.П.Новикова.-М.: Машиностроение, 1976, с. 102-105.

6. Билик Ш.М. Макрогеометрия деталей машин.- М.: Машиностроение, 1973.- 344 с.

7. Бобровников Г.А. Прочность посадок, осуществляемых с применением холода.- М.Машиностроение, 1971.- 96с.

8. Браун, Датнер. Анализ вибраций роликовых и шариковых подшипников. Конструирование и технология машиностроения, 1979, № I, с. 118—125.

9. Воронин A.B., Стржемечный М.М., Писарев Е.В. Проектирование устройств, обеспечивающих автоматическую сборку соединений типа вал-втулка.- В кн.: Научные основы автоматизации сборки машин/ Под ред. М.П.Новикова.- М.Машиностроение, 1976, с. 200-208.

10. Гаврилов А.Н., Ковалев М.П. Задачи совершенствования технологии машиностроения. Вестник машиностроения, 1976, № 10, с. 3-6.

11. Герасимова H.H., Суханова В.В. Исследование влияния волнистости рабочих поверхностей деталей радиальных шарикоподшипников на уровень вибрации. Труды/ ВНИИ, 1965, № 2 (42), с. 74-83.

12. Городецкий Ю.Г., Матрохина Н.Г. Исследование зависимости вибрации подшипников качения от некруглости рабочих поверхностей его деталей и методы оценки некруглости. Труды/ ВНИПП, 1982, № 2 (112), с. 89-102.

13. Гусев A.A. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиностроение, 1979. - 208 с.

14. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. - 223 с.

15. Демидов С.П. Теория упругости. М.: Высш. школа, 1979, - 432 с.

16. Дудак Н.С. Исследование влияния конических и цилиндрических установочных баз на точность формы высокоточных деталей.-Дис. . канд. техн. наук. М., 1971. - 175 с.

17. Дунин-Барковский И.В., Карташева А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. -М.: Машиностроение, 1978. 232 с.

18. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способыповышения долговечности машин. М.: Машиностроение, 1969. -400 с.

19. Завгородний Ю.П., Архангельский Ю.С., Шаманин В.А. Сборочные процессы в станкостроении (Сборка узлов вращательного движения).-М.: Машиностроение, 1979. 48 с.

20. Завгородний Ю.П., Соболь Г.Ф. Точность сборки непод-" вижных соединений типа втулка-корпус. Станки и инструмент, 1975, № 7, с. 23-24.

21. Игнашов И.А. Напряженное состояние квадратной пластинки с запрессованной круглой шайбой из другого материала. -Известия вузов. Машиностроение, 1969, 9, с. 48-53.

22. Иванов С.И., Шатунов М.П., Мальков Г.Ф. Остаточные напряжения в дисках. Труды / Куйб.авиац.ин-т им. С.П.Королева, 1971, 1й 53, Остаточные напряжения, с. 3-16.

23. Исаев А.И., Жабин А.И. Сборка крупных машин. М.: Машиностроение, 1971. - 136с.

24. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов.-М.: Высш. школа, 1978. 295 с.

25. Красильников А.А:. Влияние погрешностей формы поверхностей качения на момент трения приборных подшипников. Подшипниковая промышленность: Науч.-техн. сб., НИИНАвтопром, 1971, 112 6, с. 3-5.

26. Кубинек М. К вопросу о шумности подшипников качения. -Труды/ ВНИПП, 1964, 112 2 (38), с. 70-79.

27. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. - 359 с.

28. Левчук Д.М., Воронин A.B. Автоматическая сборка соединений с зазором во вращающемся потоке газа. В кн.: Научные основы автоматизации сборки машин/ Под ред. М.П.Новикова. - М.: Машиностроение, 1976, с. 213-221.

29. Лизогуб В.А. Определение радиального зазора натяга в подшипниках качения точных опор станков. - Станки и инстру-мант, 1972, №11, с. 17-18.

30. Лизогуб В.А., Фигатнер A.M. Деформация дорожек качения подшипников при монтаже шпиндельных узлов станков. Станки и инструмент, 1970, № 9, с. 28-31.

31. Локтева С.Е. Станки с программным управлением: Учебное пособие для машиностроительных техникумов. М.: Машиностроение, 1979. - 288 с.

32. Ляндон Ю.Н. Функциональная взаимозаменяемость в машиностроении. М.: Машиностроение, 1967. - 220 с.

33. Малов А.Н. Загрузочные устройства для металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1972. - 339 с.

34. Марголин Л.В. О деформации цилиндрических колец при напряженной посадке с учетом малой некрутлости сопрягаемых поверхностей. Известия вузов. Машиностроение, 1973, № 7,с. 10-15.

35. Мишкинд С.И. Автоматизация сборочных процессов спомощью промышленных роботов: Обзор/ НИИМаш, 1980. 72 с.

36. Муценек К.Я. Основы проектирования сборочных автоматов и линий. Рига: Зинатне, 1981. - 221 с.

37. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.

38. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механиз-сов. М.: Машиностроение, 1980. - 592 с.

39. Павлов А.Г. Расчет колебаний валов от погрешностей конструктивных элементов опор качения. Повышение качества и работоспособности узлов и деталей машин. - Красноярск, 1977, № 4,с. I05-II2.

40. Портман В.Т., Шустер В.Г., Фигатнер A.M. Оценка выходной точности шпиндельных узлов с помощью ЭВМ. Станки и инструмент, 1984, К» 2, с. 27-29.

41. Приборные шариковые подшипники: Справочник / Под ред. К.Н.Явленского, М.: Машиностроение, 1981. - 351 с.

42. Прилуцкий В.А. Технологические методы снижения волнистости поверхностей. М.: Машиностроение, 1978. - 136 с.

43. Причины возникновения шума и вибраций шарикоподшипников: Обзор/ Специнформцентр ВНИПП, 1968. 90 с.

44. Пустырев B.JI. Технологическое обеспечение соосности опор при сборке высокоточных шпиндельных узлов. Дис. . канд. техн. наук. - М., 1979. - 209 с.

45. Самсаев Ю.А. Расчет спектра вибрации балансируемого изделия в сборе. Вестник машиностроения, 1980, № 2, с.34-38.

46. Серенко В.А. Влияние метода сборки на точность формы отверстия запрессованной втулки. Труды/ МВТУ им.П.Э.Баумана, 1978, № 281, Повышение надежности и долговечности высокоточных изделий технологическими методами, вып. I, с. 26-37.

47. Сыроватченко П.В., Хохлов Б.А. Технология производства гироскопических приборов. М.: Машиностроение, 1969.416. с.

48. Тарабасов Н.Д. Расчеты напряженных посадок в машиностроении. М.: Машгиз, 1961. - 268 с.

49. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975, - 576с.

50. Фигатнер A.M. Расчет и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. Обзор зарубежных материалов. НИИМаш, 1971. - 196с.

51. Черневский Л.В. Технологическое обеспечение точности сборки прецизионных изделий. М.: Машиностроение, 1984. -176 с.

52. Шестак Ю.Б. Исследование технологических методов повышения точности вращения шпинделей. Автореферат дис. . канд. техн. наук.- М., 1982, - 14с.

53. Эфендиев Б.Р. Исследование напряженного состояния, возникшего от посадки в кусочно-однородных плоских средах. Ученые записки АзГУ. Сер.физ.-мат.наук, 1964, 112 3, с. I03-II3.

54. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения.- М.: Машиностроение, 1979. 343 с.

55. Яхимович В.А. Ориентирующие механизмы сборочных автоматов. М.: Машиностроение, 1975. - 166 с.

56. Ящерицын П.И. Технологическая наследственность и эксплуатационные свойства шлифованных деталей.- Минск: Наука и техника, 1971. 212 с.

57. Выполнение соединений с натягом в станках высокой и особо высокой точности. Технологический регламент 002-040-33-67. НИИМаш, 1968. 24 с.

58. Методы сборки, контроля и испытания шпиндельных узлов станков высокой и особо высокой точности. Технологический регламент PIM2-040-I53-81. НИШаш, 19Ь2.- ¿о о.

59. Gd. Анализ возможностей алтоматизации сборки в высокоточном станкостроении с целью повышения качества и надежности.

60. Отчет по теме АМ-1343/ МВТУ им.Н.Э.Баумана, рук. проф.А.М.Даль-ский, ГР fé 79035II8 , инв. № 0282.0087410, 1982.- 108л.

61. Технологическое обеспечение надежности высокоточных шпиндельных узлов в процессе их сборки. Отчет по теме AL 1-1323 /МВТУ им.Н.Э.Баумана, рук. проф. А.М.Дальский, ГР Ш 760167 65, инв.№ Б748836, 1978.- 294л.

62. Технологическое обеспечение точности сборки неподвижных прецизионных соединений в станкостроении. Отчет по теме AM-I389, /МВТУ им.Н.Э.Баумана, рук. проф. А.М.Дальский, ГР № 75005733, инв. № Б377509, 1974. 137 л.

63. Положительное решение й 3515628/27 от 20.05.83г. по заявке на изобретение, Устройство для сборки деталей типа вал-втулка / МВТУ им.Н.Э.Баумана; А.Г.Бабаскин, В.М.Похмельных, В.А.Серенко, Ю.С.Фролов. Заявлено 29.II.82г., В 23 Р 19/02.

64. Goto Т.7 Inоyama Т., Takeyasu К. Precise ínsert opercftion by tactlle controlled robot "HI-T-HAND Expert-2". In: Proc. 4th Int. fíymp. Ind. Robote. -Tokyo, 1974-, p.209-216.

65. McCalloh H., Wong P.C. Some tboughts on the automa-tlc assemBly of a peg and a hole. — The industrial roBot, 1975, v. 2, p. 141-146.

66. Tanlguchi N. Current status and -future irends of ultrapreclslon machlning processPs. — Metalw/or/cing englneeríng & marketing, 1982, W-2, \> 34~47.