автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Обеспечение качества подшипниковых узлов в процессе автоматизированной серийной сборки с использованием средств пассивной адаптации

На правахрукописи

ВОРОНЕНКО АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ^

Обеспечение качества подшипниковых узлов в процессе автоматизированной серийной сборки с использованием средств пассивдой адаптации

Специальность: 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами» (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

А.А. Гусев

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Павлов В.В.

кандидат технических наук, доцент Вартанов М.В.

Ведущее предприятие: г. Москва ГП «НПО Техномаш»

Защита состоится :: «?^>> Ut&tt-^. 2005 года в У часов на заседании диссертационного Совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 212.142.01 в Московском государственном технологическом университете «СТАН-КИН» по адресу: 127994, ГСП-4, г. Москва, Вадковский пер., За. [/о ^ait ^CiHj^y -it

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан «6^» . 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук

И.М. Тарарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматизация производства, являясь средством повышения производительности и снижения себестоимости изготовления продукции, определяет уровень развития машиностроительного производства.

В области сборочного производства уровень автоматизации пока достаточно низок, по сравнению с механообрабатывающим производством, что определяет высокую себестоимость продукции. Причина отставания автоматизации сборочных работ заключается в необходимости соединения нескольких различных по размерам и форме деталей, что требует применения их ряда различных сборочных устройств. При этом количество вспомогательных переходов велико по сравнению с основными, что усложняет их взаимное согласование в пространстве и во времени. При механической обработке количество элементов и их движений в технологических системах значительно меньше.

В условиях многономенклатурного производства сборочное оборудование должно обладать возможностью быстрого перехода на сборку других изделий с минимальными затратами на переналадку.

Анализ изделий машиностроения показывает, что запрессовка подшипников качения на валы является ответственной и наиболее распространенной операцией. Подшипники качения используют во многих конструкциях редукторов, коробок скоростей, электродвигателей, гидравлических насосов и других изделиях. Ввиду многообразия подшипниковых узлов, в работе проведены исследования для наиболее часто встречаемых шариковых радиально-упорных подшипников с диаметрами от 15 до 130 мм нормальной точности.

Научные труды ВНИИПП, по определению влияния геометрии беговых дорожек подшипников на их долговечность, показали необходимость проведения исследований подшипниковых узлов, оказывающих решающее влияние на срок службы изделий в целом. Данными ВНИИПП и исследованиями, проведенными на заводе ЗИЛ, было установлено, что первоначальная геометрическая точность беговых дорожек в подшипниках нарушается в процессе запрессовки, вследствие этого, снижается их долговечность.

В настоящее время не разработаны рациональные методы определения деформации беговых дорожек подшипников в зависимости от геометрии посадочных ступеней валов и не выявлены факторы, влияющие на деформацию подшипников в условиях автоматизированного сборочного производства, и их влияние на срок службы изделий.

Существуют различные методики создания автоматических сборочных устройств и автоматов, предложенные д.т.н. проф. Л.И. Волчкевичем, д.т.н. проф. А.А. Гусевым, д.т.н. проф. А.И. Дащенко, д.т.н. проф. Ю.З. Житниковым, д.т.н. проф. Ю.М. Злоторевским, д.т.н. проф. B.C. Корсаковым, к.т.н. В.В. Ко-силовым, д.т.н. проф. Г.А. Шаумяном и их учениками. Проф., д.т.н. А.А. Гусевым разработаны методы определения качества технологических процессов в условиях автоматизированного сборочного производства, доказана необходимость внедрения пассивных элементов, устраняющих несоостности, определены условия автоматической сборки и т.д. В настоящее время не созданы методики определения величины деформации беговых дорожек колец подшипников в процессе запрессовки на вал в автоматизированном производстве в зависимости от реальных профилей соединяемых деталей и от угла скрещивания осей сопрягаемых поверхностей на качество подшипниковых узлов.

Цель работы: Повышение качества и эффективности процесса запрессовки подшипников на валы в условиях автоматизированного многономенклатурного производства с использованием средств пассивной адаптации.

Научная новизна:

1. Установлено влияние смены баз при запрессовке подшипников на валы на величину деформации беговой дорожки внутреннего кольца.

2. Установлено влияние средств пассивной адаптации, снижающих величину углового отклонения соединяемых посадочных поверхностей в процессе запрессовки подшипников на валы, на величины деформаций беговых дорожек подшипников.

3. Получены зависимости величины погрешностей форм посадочных поверхностей подшипника и ступени вала на качество подшипниковых узлов.

4. Предложена методика проектирования гибкой технологической оснастки с использованием сферических опор для автоматизированной запрессовки подшипников на валы.

Методы исследования. Теоретические исследования запрессовки подшипников на валы выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории базирования и размерных цепей. Для определения изменений геометрических параметров сопрягаемых поверхностей деталей в процессе запрессовки предложена математическая модель на основе линейной алгебры с использованием матрицы координатного переноса и поворота. Для выявления величины деформации внутреннего кольца и определения колебания геометрической формы беговой дорожки после запрессовки была принята методика расчета, основанная на решении задачи Ляме. Для определения размеров сферической опоры для запрессовки подшипников на валы использовались методы расчетов принятые в основах теоретической механики.

Практическая ценность:

1. Разработана методика определения деформации беговой дорожки кольца подшипника в процессе запрессовки подшипников на валы с учетом неравномерной величины натяга.

2. Разработана методика определения размеров сферической опоры, используемой в качестве элемента пассивной адаптации в процессе запрессовки подшипников на валы.

3. Разработана методика проектирования гибкой технологической оснастки для автоматизированного сборочного производства с использованием сферической опоры.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы нашли применение при модернизации технологической оснастки для запрессовки подшипников 46307 на вал ходового элемента с посадкой L0/k6 изделия У111 4.386.613 на заводе ГП «Ульяновский Гипроавтопром», что позволило повысить долговечность до 18 % и добиться снижения шума на 2-3%. На заводе ГУЛ

«КХП «Герметик» был внедрен сферический элемент в технологическую оснастку для запрессовки подшипника на вал изделия ИЗХ 4 321.412, позволивший повысить долговечность подшипникового соединения около 12%, снизить уровень шума до 3%, снизить уровень вибрации до 7% на максимальных режимах работы.

Апробация работы. Основные научные и практические положения работы докладывались и обсуждались: на заседании кафедры «Технология машиностроения» ГОУ МГТУ «СТАНКИН», на П Международной электронной научно-технической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Владимир, май-июнь 2002 г.), на научно-технической конференция «Наука, технология, инструмент 2000» в МГТУ «СТАНКИН» (Москва 1999 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 научные работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, списка литературы, что составляет_

страниц машинописного текста, списка литературы из_наименований, содержит_рисунков и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, состояние вопроса автоматизации сборки изделий, а также новизны решаемых в диссертации задач.

Первая глава посвящена исследованию состояния вопроса автоматизации процесса запрессовки деталей в условиях многономенклатурного производства на основании теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных ученых, а также опыта эксплуатации средств автоматизации. Дается обоснование выбора объекта исследований.

Необходимость проведения исследований в области запрессовки подшипников на валы подтверждается среднестатистическими данными. Около 16% выхода из строя подшипниковых узлов происходит по причинам нарушения правил монтажа подшипников и не соблюдения условий сборки.

Анализ исследований, проведенных ВНИИПП, позволил выявить факторы, которые оказывают наибольшее влияние на долговечность подшипников. Так, например, снижение волнистости с 2,5 мкм до 0,2 мкм повышает контактную выносливость примерно в 4 раза и долговечность подшипников в 2,5 раза. Исследования, проведенные А.В. Ворониным и В.В. Косиловым, доказали влияние параметров точности геометрии посадочных поверхностей валов и отверстий колец подшипников на первоначальную точность параметров беговых дорожек подшипников. Однако не были выявлены факторы и не установлено влияние режимов запрессовки подшипников и величины углового отклонения посадочных поверхностей на параметры точности подшипников.

Отечественные и зарубежные исследователи детально разработали методологию проектирования сборочных автоматов и промышленных роботов, не уделив достаточное внимание на технологическую оснастку в гибком автоматизированном производстве. Технологическая оснастка является одним из составляющих звеньев, определяющих качество изделия. В работе рассмотрены основные положения по проектированию технологической оснастки и условия применения средств пассивной адаптации различных конструкций, на основании чего определены пути повышения эффективности процесса запрессовки

подшипников на валы. Анализ существующих технологических решений по запрессовке подшипников показал необходимость разработки способов снижения сил запрессовки без применения смазочных веществ или термическим способом. В результате проведенного анализа, поставлены задачи исследований и определена их научная новизна.

Во второй главе рассмотрен процесс запрессовки подшипника на вал при жестком закреплении базовой и присоединяемой деталей. Процесс запрессовки условно можно представить в виде в четырех этапов, представленных на рис. 1, где системы координат подшипника (Л^ол. Укол, ¿кол) и вала (Х'вал. ^вал. ■¿вал)- На рис. 1 показано изменение схем базирования подшипника (1...5) в процессе его запрессовки относительно заданного положения конструкторских баз

В) г)

Рис.1. Принципиальные схемы базирования подшипника и вала: а- перед сборкой; б - в момент касания; в - перед снятием нагрузки; г - после снятия нагрузки

- двойной направляющей и опорной базами. Замыкающим звеном в размерной цепи технологической системы является допустимый угол скрещивания осей (рис.1,а) сопрягаемых поверхностей. Составляющими звеньями будут - отклонение от перпендикулярности оси отверстия подшипника относительно торца внутреннего кольца (значение предусмотрено ГОСТ 5202002); - отклонение от перпендикулярности исполнительной поверхности торца штока относительно его направляющей поверхности; - отклонение от параллельности оси отверстия втулки направляющей шток относительно оси посадочной поверхности в корпусе автомата; - отклонение от перпендикулярности оси посадочного отверстия в автомате под втулку относительно базовой поверхности корпуса; - отклонение от перпендикулярности оси ступени вала относительно упорного торца вала (значение имеются на рабочих чертежах валов, либо в технических требованиях); - отклонение от параллельности поверхности плиты технологической оснастки, воспринимающей нагрузку, относительно ее основной базы, положение которой определяется корпусом автомата. Значительное количество составляющих звеньев приводит к увеличению фактического угла скрещивания осей сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей, и, следовательно, оказывает влияние на качество собираемых изделий.

Произведен поэтапный анализ запрессовки подшипника на вал с момента его закрепления (рис. 1 а) в технологической оснастке до окончания запрессовки (рис.1 г), с последующим базированием подшипника на ступень вала (его базирования по двойной направляющей базе). На промежуточных этапах запрессовки подшипника на вал: с момента центрирования подшипника на ступени вала (рис. 16) и перед снятием силы (рис. 1 в), было определено, что значительное силовое воздействие пресса на торец кольца подшипника приведет к изменению положения подшипника на валу. Это нарушит необходимое совпадение технологических и конструкторских баз и вызовет появление перекоса оси посадочного отверстия подшипника относительно оси посадочной ступени вала.

При отсутствии компенсатора относительного углового поворота подшипника или вала, подшипник, базирующийся по торцу внутреннего кольца (установочная база) и посадочной ступени вала, с увеличением значения сборочной силы вызовет дополнительное смятие ступени вала под воздействием силовых нагрузок. Вместе с этим возникает дополнительная деформация менее жесткого тонкостенного кольца подшипника.

При анализе процесса запрессовки взяты единичные сечения (А-А) и (ВВ) (рис.2) и имеются следующие ограничения при определении влияния перекоса деталей на их деформацию:

- поверхности посадочного отверстия подшипника (рис. 2а) и поверхность ступени вала (рис. 26) приняты в сечениях в виде идеальных эллипсов. Их отклонения от формы цилиндрической поверхности детали - округлость;

А-А В-В

а) б)

Рис.2. Радиальные сечения деталей подшипникового узла: а — внутреннего кольца подшипника; 6 — посадочной ступени вала под подшипник

- не учитывается шероховатость сопрягаемых поверхностей;

- принятая идеальная геометрическая форма эллипса остается неизменной на протяжении всех поверхностей соединяемых деталей;

- беговая дорожка подшипника (¿бегдор.) представляет идеальную окружность;

- физико-механические свойства материалов вала и подшипника неизменны для посадочных поверхностей.

Были проанализированы все возможные комбинации сопряжения деталей и их сечения А-А и В-В при запрессовке кольца на вал. Установлены зависимости влияния геометрии сечений на величину натяга, на основании которых сделано заключение, что не совмещение полуосей эллипсов и различие в их размерах, вызывает колебание в величинах натяга, что создает неравномерность деформаций в разных направлениях кольца подшипника.

Введено понятие "посадочный слой" (Т), т.е. величина деформирования в единичном сечении в заданном направлении под воздействием силой запрессовки. Выявлены условия, при которых колебание «посадочного слоя» будем максимальным, что приводит к увеличению колебания величины деформации беговой дорожки кольца

^вал х-кол у = Кх кал " Ку коя» О)

^вал,у-1сол* =Кувал~ Кхкоп (2)

Для определения влияния овальности сопрягаемых поверхностей на деформацию беговой дорожки подшипника введены ограничения:

- материал вала является несжимаемым, следовательно, площадь его сечения практически не изменяется под воздействием внешней силы;

- деформации вдоль поверхности сопряжения подшипника с валом незначительны и поэтому в расчетах не учитываются;

- деформация происходит в упругой зоне.

Деформация кольца с учетом неравномерности натяга («посадочный слой») рассчитывается на основании решения задачи Ляме:

где: Т- величина посадочного слоя в единичном сечении в заданном направлении деформации кольца; - отношение посадочного диаметра к наружному диаметру запрессованного кольца; - соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона для вала и кольца подшипника.

Учитывая ограничения, принят метод расчета деформации кольца, как линейной зависимости от величины «посадочного слоя» в выбранном направлении и постоянного коэффициента (К). Расчеты деформации проводились для граничных условий вдоль осей абцисс:

^юих = И02=/(И(й) = #1(Дмп>.-Д|«>л*) (4)

и ординат:

^КОЛ^ = И02=/(И02) = Л'| (Лвал^-Лкопу) (5)

где: К\ - постоянный коэффициент, учитывающий размеры и свойства сопрягаемых деталей (3).

Представлена математическая модель изменения положения сопрягаемых поверхностей сечений деталей в процессе запрессовки, при условии углового поворота подшипника (А-А) относительно сечения (В-В) ступени вала. Уравнения математической модели на основе линейной алгебры с использованием матрицы линейного переноса и поворота определяют, изменения величины «посадочного слоя» в зависимости от величины перекоса оси посадочного отверстия подшипника относительно оси посадочной ступени вала. Проанализированы возможные варианты поворота сечения кольца подшипника. Найден случай, при котором неравномерность посадочного слоя будет максимальной в зависимости от величины перекоса. Таким случаем является наклон сечения подшипника вокруг Поэтому первоначальные значения полуосей кольца подшипника будут скорректированы с учетом следующей системы уравнений

Кхкол=*хколхсо<Г'к)

где: у'к - угол возникающий при запрессовки при жестком креплении подшипника и вала.

На основании проведенных исследований определено влияние углового отклонения и геометрии сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей на деформацию беговой дорожки подшипника.

В третьей главе сформулированы условия, необходимые для устранения углового отклонения в процессе запрессовки подшипника на вал. Анализируя процесс запрессовки и условия сборки, предложено использовать в конструкции технологической оснастки сферическую опору в качестве средства пассивной адаптации.

Конструкция сферической опоры и условия ее поворота в процессе запрессовки подшипника определены для случая поворота вала относительно же-сткозакрепленного подшипника. Поворот полусферы должен происходить в сторону отклонения от параллельности осей посадочной ступени вала и оси отверстия подшипника. Тем самым оказывается возможным обеспечить действия силы запрессовки в одной плоскости с реакцией сферической опоры, воспринимающей нагрузку. На рис. 3. представлены схемы этапов запрессовки подшипника на вал с использованием плавающей сферической опоры, обеспечивающей поворот в системе координат (Хс, Ус, Хс ). Эта система координат с центром 0| расположена с привязкой к неподвижной плите принадлежащей жесткой опоре и подвижной сферической опоре. Ее расположение определяется конструкцией технологической оснастки.

В начале процесса автоматической запрессовки (рис.За) возможны угловые отклонения между сопрягаемыми поверхностями и отклонения от соост-ности, как допустимые смещения. Компенсация углового отклонения происходит в момент касания подшипника вала (рис.Зб) и окончательное совмещение осей будет в момент прекращения действия сборочной силы (рис.Зв). Для опре-

Рис. 3. Схемы запрессовки подшипника на вал с использованием сферической опоры: а * положения вала и подшипника перед запрессовкой; б * положения подшипника и вала в момент касания; в • положения подшипника и вала перед снятием сборочной силы

деления размеров сферической опоры при сборке уменьшающей влияние углового отклонения подшипника, введены следующие ограничения:

- в качестве силы тяжести подвижных деталей учитывается только вал

- точка (Рг) приложения силы тяжести расположена на оси 2с в центре вала;

- масса полусферы значительно меньше массы устанавливаемого вала и поэтому в расчетах не учитывается.

С учетом принятых допущений выведены граничные условия поворота сферической опоры в момент касания (рис.Зб). Составлены уравнения моментов всех действующих сил относительно центра (О/) сферической опоры. На основании решения уравнения моментов действующих сил выведено уравнение для определения радиуса ( Я СФ ) сферической опоры

(7)

где: - коэффициент трения между сферической опорой и неподвижной плитой; Р - внешняя сила создаваемая прессом; О - сила тяжести вала, d в - номинальный посадочный диаметр.

На основании приведенного в работе анализа моментов действующих сил в процессе запрессовки предложена зависимость для расчета радиуса сферы

я <Рх<*>

^сф -—

Ъ/л^в

при условии 2 Лсф^ с1 в.

(8)

Для обеспечения подвижности сферической опоры в любой момент запрессовки подшипника найдено дополнительное условие граничного поворота. Анализ схем действия сил позволил определить этап, на котором это происходит в момент запрессовки подшипника (рис.Зв):

Рх(Л,)8т(/) + Сх (А, /2)8т(/) > ^

2 , (10)

где: N— сила, действующая по нормали к поверхности сферической опоры; Л/— длина вала, / - угол, определяющий условия автоматической сборки.

Анализ уравнений (7,8,10) показывает, что для обеспечение совмещения осей посадочных поверхностей соединяемых деталей в процессе сборки на заключительном этапе, целесообразно для соблюдения условия поворота и уменьшения момента трения между сферическими поверхностями технологической оснастки снизить коэффициент трения ЦТР применением смазки, а также уменьшить радиус (Ксф) сферы. Это позволит создать унифицированную гибкую технологическую оснастку для соединения деталей с большим диапазоном посадочных размеров.

Используя формулы (7) или (8) определяется минимальный радиус сферической опоры и далее корректируется его значения по формуле (10). Из уравнений (9) и (10) видно, что условие поворота детали при сборке зависит от длины (И|) вала и его массы, а также от положения центра силы тяжести (О). При значительных отклонениях центра массы от середины вала необходимо произвести корректировочный расчет.

Таким образом, сформулированы основные условия автоматического соединения деталей «валов в сборе». Анализ полученных зависимостей позволил сформулировать требования к технологической оснастке в автоматизированном производстве для этого типа узлов, обеспечивающих повышение эффективности сборочного процесса. Выявлены факторы, влияющие на уровень гибкости технологической оснастки:

- минимальный диаметр d в посадочной ступени вала под подшипник;

- минимальная длина / вала и его масса;

Эти действующие факторы позволяют определить параметры основных элементов технологической оснастки, обеспечивающие ее гибкость.

В четвертой главе представлены типовые конструкции «валов в сборе» и произведена их классификация. Описаны их отличительные конструктивные особенности, оказывающие влияние на осуществление сборочного процесса. Для определения области использования технологической оснастки и гибкости в условиях автоматизированного сборочного производства произведен статистический анализ конструкций «валов в сборе», который установил наиболее часто встречаемые их параметры:

- длина «валов в сборе» в диапазоне от 100 до 600 мм (к\) и массой от 0,5 до 14,5 кг;

- посадочные шейки валов (</в) под подшипник от 15 до 130 мм.

Анализ способов установки валов в технологическую оснастку позволил

выяснить влияние кинематики движения вала на конструкцию гибкой технологической оснастки с применением сферической опоры в автоматизированном производстве. Определены условия установки «вала в сборе» в технологическую оснастку:

для ручной установки «вала в сборе» в оснастку, (11)

- для автоматической установки, (12)

где: N общее количество свободных поверхностей у вала; Б- размер захвата промышленного робота для установки вала в технологическую оснастку; А -габаритный размер захватного устройства в технологической оснастке, £ход -дополнительное вертикальное перемещение вала для устранения перекоса сферической опоры.

Предложены конструктивные элементы гибкой технологической оснастки для захвата вала, обеспечивающие требуемую кинематику движения его установки и снятия. Описаны принципы работы и выведены условия их гибкости.

В пятой главе представлен пример использования методики расчета сферической опоры для технологической операции по запрессовке подшипника серии 307 номинальным диаметром 35 мм нормальной точности на вал с посад-

кой L0/k6. Произведен расчет необходимой максимальной силы создаваемой прессом для данной посадки.

Предложенная методика расчета максимально возможной деформации беговой дорожки при запрессовке подшипника с использованием сферической опоры и без нее, подтвердила результаты экспериментов, произведенных ВНИИПП, и внедрения сферической опоры на заводе ГП «Ульяновский Гипро-автопром». Это позволило повысить долговечность работы подшипников на 18%, а на заводе ГУЛ «КХП «Герметик» соответственно на 12%.

Произведенный расчет на основании предложенной методики, определил возможное колебание геометрии беговой дорожки радиально-упорного подшипника после запрессовки:

- при жестком креплении соединяемых деталей оно составит около 5 мкм при условии изготовления посадочной ступени вала по ГОСТ 3325-85;

- с использованием сферической опоры до 2 мкм.

Тем самым в процессе запрессовки подшипника на вал с использованием сферической опоры ожидается повышение долговечности подшипника до 3 раз по сравнению с процессом, в котором отсутствуют элементы устраняющие угловой перекос.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Разработана методика проектирования технологической оснастки с использованием пассивной адаптации для запрессовки подшипников на валы, обеспечивающая повышение и стабилизацию качества собираемых подшипниковых узлов изделий в условиях автоматизированного многономенклатурного производства.

2. Анализ существующих схем базирования соединяемых деталей в процессе запрессовки, позволил установить взаимосвязь между относительным угловым положением соединяемых деталей и их деформациями, снижающими первоначальную точность подшипников.

3. Выявлено, что при высоких требованиях к качеству геометрической формы исполнительных поверхностей колец подшипников необходимо учитывать геометрическую форму посадочных поверхностей и относительное положение деталей, которые оказывают влияние на их деформацию при посадке с гарантированным натягом.

4. Предложенный метод устранения влияния относительного углового положения соединяемых деталей на деформацию беговой дорожки подшипника в процессе запрессовки в условиях автоматизированного производства, может быть распространен на ручную сборку с использованием технологической оснастки.

5. Предложенная методика расчета деформации кольца подшипника может быть применена для определения долговечности подшипниковых узлов.

6. Результаты расчетов по предложенной методике проектирования средств технологического оснащения для запрессовки подшипников на валы и результаты практического ее внедрения на заводе ГП «Ульяновский Гипро-автопром» и заводе ГУЛ «КХП «Герметик», подтвердили эффективность использования сферической опоры и целесообразность предложенного методике. Уровень шума снизился в среднем на 2 - 3% и повышена долговечность на 12 -18%.

7. Применение в гибкой технологической оснастке сферической опоры сокращает затраты на создание сборочных автоматов и повышает их надежность путем сокращения звеньев в размерных цепях.

8. Снижение деформаций кольца подшипника и вала при использовании сферических опор приведет к уменьшению силы запрессовки, что в итоге сокращает энергозатраты и повышает эффективность автоматизированного сборочного процесса.

Основное содержание диссертации отражены в следующих публикациях:

1. ВороненкеА.В. «Повышение эффективности сборки изделий на автоматизированных участках». Журнал «Автоматизация и современные технологии», №2 Февраль 2003. Москва, с.8-9.

2. Вороненка А.В. «Проектирование тары для автоматической сборки подшипника на вал». Актуальные проблемы машиностроения. Материалы П Международной электронной научно-технической конференции. Владимир. Май-июнь 2002. с.75.

3. Вороненка А.В. «Повышение эффективности запрессовки подшипников на валы в автоматизированном производстве». Конференция «Наука, технология, инструмент 2000». Москва, 1999, с. 165-166.

4. «Разработка методологических принципов проектирования гибких автоматизированных сборочных участков машиностроительных производств» грант №ГР 01200309856. Отчет о НИР. Руководитель Вороненко В.П.. Ответственный исполнители: Вороненко А.В., Серое А А. М: 16 с, 2003.

5. Вороненко А.В. «Влияние непараллельности осей шариковых подшипников и шеек валов при запрессовке на работоспособность узлов». Журнал «Автоматизация и современные технологии». Спецвыпуск, с. 17-19

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронен ко Андрей Владимирович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ В ПРОЦЕССЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СЕРИЙНОЙ СБОРКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ПАССИВНОЙ АДАПТАЦИИ

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 20.05.2005. Формат 60х90'/|б Уч.изд. л. 1,25. Тираж 50 экз. Заказ № 97

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

У

Введение.

Глава 1. Анализ технологических процессов установки подшипников на валы в гибких автоматизированных производствах. Постановка задачи исследований.

1.1. Общие положения по применяемым подшипникам и выбора объекта исследований.'.

1.2. Анализ уровня автоматизация процесс сборки «валов в сборе».

1.3. Анализ технологических процессов установки подшипников на вал

1.4. Постановка задач исследований.

Глава 2. Влияние смены баз в процессе запрессовки на качество подшипниковых узлов

2.1 Анализ схем базирования подшипника на вал и выявление факторов влияющих на качество сборки.

2.2. Определение влияния овальности посадочных поверхностей деталей на деформацию беговой дорожки подшипника

2.3. Влияние углового отклонения осей сопрягаемых поверхностей деталей на овальности посадочных поверхностей в процессе сборки.

2.4. Выводы.

Глава 3. Выбор элементов технологической оснастки, обеспечивающих организованную смену баз при запрессовке подшипника.

3.1 Сферическая опора, как конструктивный элемент в технологической оснастке, обеспечивающий организованную смену баз.

3.2 Гибкая технологическая оснастка в автоматизированном сборочном производстве с использованием сферических опор.

3.3 Выводы

Глава 4. Исследование влияния конструктивных параметров валов на выбор конструктивных элементов гибкой производственной тары для автоматизированного производства.

4.1. Классификация валов по конструктивным параметрам.

4.2. Компоновочное решение сборочной оснастки

4.3. Выбор способов установки валов в гибкую производственную тару в автоматизированном производстве.

4.4. Выводы.

Глава 5. Методика расчета сферической опоры и деформации беговой дорожки внутреннего кольца подшипника при запрессовке на вал.

5.1. Методика расчета радиуса сферической опоры.

5.2. Методика расчета величины деформации беговой дорожки внутреннего кольца подшипника.

5.2.1 Расчет максимально возможной деформация беговой дорожки при запрессовке подшипника с использованием сферической опоры.

5.2.2 Расчет максимально возможной деформация беговой дорожки при запрессовки с жестким креплением соединяемых деталей.

5.2.3 Эффект от внедрения сферической опоры в процессе запрессовки подшипника серии 307 на вал по посадке L0/k6.

Машиностроение является сложной производственной системой с длительным циклом изготовления изделия требуемого качества. Изготовления и модернизация изделий, а также их производство требует от инженеров-технологов значительные затраты. Во время цикла изготовления изделий, необходимо уделять особое внимание качеству выпускаемой продукции. Ужесточение технических требований, предъявляемых конструктором, приводит к усложнению и удорожанию производства. Повышение качества изделий и изменение номенклатуры изделий, приводит к изменению на производстве изделий в целом, и в частности, к сборочному производству и к сборочным операциям на которых рождается качество изделия /5, 40, 51/ . Трудоемкость операций сборки в машиностроительном производстве составляет 30-40% от общей трудоемкости изготовления изделия. В приборостроении, особо в электронной технике трудоемкость достигает даже 60% и более процентов. В авиапромышленности у изделия имеющего сложную конструктивную форму и большие габариты с предъявленными высокими требованиями конструкторов, трудоемкость сборки достигает до 70% /1, 8,19/.

Сложность и высокая трудоемкость процесса сборки объясняется большим разнообразием деталей и узлов, необходимостью обеспечения высокой точности взаимного расположения деталей и траектории перемещения собираемых поверхностей деталей. При ужесточении требований к сопрягаемым деталям, ухудшаются условия сборки деталей. / 1, 22, 24, 49/. Для обеспечения повышенных требований к сборочной операции применяют дорогостоящую оснастку, которая частично решает поставленную задачу и порой значительно увеличивает стоимость изделия. Жесткие требования к сборочным операциям сопровождаются увеличением стоимости самой оснастки и повышению квалификации сборщика.

Появление брака в основном связано с участием в процессе сборки человеческого фактора. Причины этого: физическая усталость, высокая напряженность и повышенное внимание к сборочному процессу и необходимая высокая квалификация с долей интуиции рабочего.

С ростом номенклатуры и количества выпускаемых изделий, при изменяющихся параметрах качества сборки, человек не всегда может справиться с поставленной задачей в заданное время и с требуемым качеством. Данную задачу могут выполнить гибкие автоматизированные сборочные системы. Использование таких систем, требуют значительных затрат при разработке и ее создании. Для решения поставленной задачи при проектировании автоматизированных сборочных систем необходимо использовать научно-технический потенциал и существующие наработки в области сборочных производства / 1,2,19,25,44/.

Сборочные позиции в автоматизированных производствах должны обеспечивать требуемое качество, производительность, комплексную экономичность, надежность и гибкость, что приведет к выпуску изделий стабильного качества с наименьшей себестоимостью. Указанные проблемы частично решает и технологическая оснастка путем использования методов активной или пассивной адаптации. Оснащение сборочных позиций и технологии сборки зависит от многих факторов: траекторией движений собираемых изделий, транспортировкой, размерами посадочных поверхностей, конструктивными размерами изделий, последовательностью движений, контролем процесса и множеством других факторов. Большинство факторов целесообразно перекладывать на технологическую оснастку для выполнения ей основных функций. Экономическая пригодность использования гибких автоматических производств решается на стадии проектирования и реконструкции производства. Необходимость совершенствования таких производств вынуждает производить исследования в этом направлении. Исследования должны опираться на существующий опыт и по возможности решать задачи сборочных операций: достижение требуемого качества изделий в целом с заданной производительностью с наименьшей себестоимостью и обладать необходимой гибкостью. На защиту выноситься следующие вопросы:

- Качественная оценка влияния схем базирования, качества сопрягаемых поверхностей на качество собираемого узла вал-подшипник;

- Влияние схем базирования подшипников и валов на качество собираемых узлов типа «вал-подшипник»;

- Определение зависимости между качеством поверхностей подшипника и вала на геометрию беговой дорожки подшипника;

- Влияние элементов пассивной адаптации в сборочной оснастке на качество сборки узла;

- Сборочная оснастка с пассивной адаптацией, как вариант снижения себестоимости автоматизированного сборочного производства.

Выводы

1. Разработана методика проектирования технологической оснастки с использованием пассивной адаптации для запрессовки подшипников на валы, обеспечивающая повышение и стабилизацию качества собираемых подшипниковых узлов изделий в условиях автоматизированного многономенклатурного производства.

2. Анализ существующих схем базирования соединяемых деталей в процессе запрессовки, позволил установить взаимосвязь между относительным угловым положением соединяемых деталей и их деформациями, снижающими первоначальную точность подшипников.

3. Выявлено, что при высоких требованиях к качеству геометрической формы исполнительных поверхностей колец подшипников необходимо учитывать геометрическую форму посадочных поверхностей и относительное положение деталей, которые оказывают влияние на их деформацию при посадке с гарантированным натягом.

4. Предложенный метод устранения влияния относительного углового положения соединяемых деталей на деформацию беговой дорожки подшипника в процессе запрессовки в условиях автоматизированного производства, может быть распространен на ручную сборку с использованием предложенной технологической оснастки.

5. Разработанная методика расчета деформации кольца подшипника может быть применена для определения долговечности подшипниковых узлов.

6. Результаты расчетов по предложенной методике проектирования средств технологического оснащения для запрессовки подшипников на валы и результаты практического ее внедрения на заводах ГП «Ульяновский Гипроавтопром» и ГУП «КХП «Герметик», подтвердили эффективность использования сферической опоры и целесообразность предложенного методике. Уровень шума снизился в среднем на 2-3% и повышена долговечность на 12-18%.

7. Применение в гибкой технологической оснастке сферической опоры сокращает затраты на создание сборочных автоматов и повышает их надежность путем сокращения звеньев в размерных цепях.

8. Снижение деформаций кольца подшипника и вала при использовании сферических опор приведет к уменьшению силы запрессовки, что в итоге сокращает энергозатраты и повышает эффективность автоматизированного сборочного процесса.

1. Автоматизация и механизация сборки, регулировки и испытания машиностроительных изделий / А.А. Гусев, А.В. Балыков, Б.М. Базаров и др.: Под ред. А.А. Гусева. М.: Общество «Знание» РСФСР 1991.135 с.

2. Автоматизация сборочных процессов в машиностроении. М.:Наука, 1979. 184 с.

3. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю. М. Соломенцев, В. Г. Митрофанов, С. П. Протопопов и др. М.: Машиностроение, 1980. 536 с.

4. Артоболевский И.И. теория механизмов и машин: Учеб. Для втузов. -М.: Наука, 1988-640 с.

5. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1982. Кн. 1. 288 е.; Кн. 2. 268 с.

6. Бородачев Н.А. Основные вопросы теории точности производства. -М. Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 416 с.

7. Бреббия К. и др. Методы граничных элементов / Пер. с англ. М.: Мир, 1987.-524 с.

8. В.К. Замятин. Технология и оснащение сборочного производства машиноприборостроения. Справочник. М.: Машиностроение 1995 г. 607 с.9. влияние точностных параметров на долговечность подшипников качения

9. Отчет по разделу 1.3 Договора о соцсотрудничестве ГПЗ и ВНИПП от 18/XII-1972)

10. Вороненко В.П. Повышение эффективности сборочных машиностроительных производств путем обеспечения гибкости технологических процессов и структур подразделений / Автореф. Дис. .докт. техн. наук. М.:МГТУ «Станкин», 1997. - 45 с.

11. Воронин А.В., Гречихин А.И., Косилов В.В. и др. Механизация и автоматизация сборки в машиностроении М.:Машиностроение, 1985 г. 272 с.

12. ГОСТ 2789-73 (СТ СЭВ 638-77, ИСО Р 468) Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. Госстандарт СССР -М.:Издательство стандартов, 1985.

13. ГОСТ 3325-85. Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки (с Изменением N 1) Госстандарт СССР М. :Издательство стандартов, 1994.

14. ГОСТ 3478-79 Подшипники качения. Основные размеры, (с Изменением N 2) Госстандарт СССР М. :Издательство стандартов, 1993.

15. ГОСТ 520-2002 (ИСО 492-94, ИСО 199-97) Подшипники качения. Общие технические условия. Госстандарт. М. .'Издательство стандартов, 2002.

16. ГОСТ 8338-75. Подшипники шариковые радиальные однорядные. Госстандарт СССР М. :Издательство стандартов, 1975.

17. Гусев А.А. автоматизация сборки зубчатых передач. ВИНИТИ. Сер. Технология и оборудование механосборочного производства. 190, 155 с.

18. Гусев А.А. Автоматизация сборочных работ в СССР и за рубежом. М.: ИНИИТЭИприборостроение, 1985. 54 с.

19. Гусев А.А. Автоматизация сборочных работ. М. : Энергия. 1975. 62 с.

20. Гусев А.А. Адаптивное управление сборочных машин. М.: Машиностроение, 1979. 208 с.

21. Гусев А.А. Основные принципы создания гибких сборочных систем. М.: Машиностроение, 1988. 52 с.

22. Гусев А.А. Расчет норм точности автоматических сборочных машин / Руководящие технические материалы. М.: НИИМАШ. 1974. 83 с.

23. Гусев А.А. Технологические основы автоматизированной сборки изделий. М., 1982.

24. Дальский A.M., Кулеков З.Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении. М., 1988. 303 с.

25. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. -М.:Наука, 1970.-227 с.

26. Демкин Н.Б. фактическая площадь касания твердых поверхностей. -М.: Изд-во АН СССР, 1962. 111 с.

27. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М.: Машиностроение, 1981. 244 с.

28. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. / Пер. с англ. М.: Мир, 1989.-510 с.

29. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пантелеев Евгений Юрьевич. «Повышение производительности сборки деталей на основе пассивной автоматической доориентации.» Ковров. 2004 г.

30. Допуски и посадки. Справочник в 2-х частях. Изд. 5-е. Под ред. В.Д. Мягкова. JI: Машиностроение 1978 г.

31. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование, изд. 2-е. 1990 г. 399 с. Москва «Высшая школа»

32. Житников Ю.З., Пантелеев Е.Ю, Крылов В.Ю. , Федотов М.В. Обоснование конструктивного исполнения метода пассивной адаптации при автоматизированной сборке. Сборник научных трудов КГТА. Ковров: КГТА, 1999.

33. Замятин В.К. Технология и автоматизация сборки. М,: Машиностроение, 1993, 464 с.

34. И.М. Колесов Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение 1997 г. 592 с.

35. Иванов Ю. В. автоматизация сборки в условиях гибкого производства: Обзорная информация. М.: ВНИИТЭМР, сер. 6, вып. 2, 1988, 44 с.

36. Карпуни М.Г. и др. Жизненный цикл и эффективность машин. М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.

37. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, А.А. Гусев и др. М.: Машиностроение, 1995. Т. 1 256 с; Т. 2 - 430 с.

38. Корн Г., Корн Т. Справочник по математики для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. - 932 с.

39. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов. М., 1978. 396 с.

40. Корсаков B.C. и др. Пути повышения эффективности сборочных работ. М.: НИИМАШ, 1981. -36 с.

41. Косилов В. В. Технологические основы проектирования автоматического оборудования. М.: машиностроение, 1976. 248 с.

42. Лебедовский М.С., Федотов А.И. Автоматизация сборочных работ. Л.: Лениздат, 1970.

43. Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.Н. Научные основы автоматизации сборки. Л.: Машиностроение. 1985, 316 с.

44. Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и ее измерение. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 184 с.

45. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Физматгиз, 1971. 632 с.

46. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Том III-5. М.: Машиностроение 2001 г. 638 с.

47. Научные основы автоматизации сборки машин и механизмов / Под ред. М.П. Новикова. М. 1976.

48. Новиков М.П. Основные технологии сборки машин и механизмов. 5-е изд. - М.: Машиностроение, 1980. - 592 с.

49. Подшипники. 418,417,416. Типовые подшипниковые узлы машин, механизмов и приборов. Каталог. Издательство НИА «ПОДШИПНИК-МНИАП», М. 2003

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

51. Прогрессивные технологические процессы в автостроении. Механическая обработка. Сборка. / С. М. Степашкин, С. Н. Калашников, Д. М. Левчук и др. Под ред. С. М. Степашкина. М. : Машиностроение, 1980. 320 с.

52. Проектирование технологии автоматизированного машиностроения / И.М. Баранчукова, А.А. Гусев, Ю.Б. Крамаренко и др.: Под ред. Ю.М. Соломенцева. Сер. «Технология автоматизированного машиностроения». М.: Высшая школа. 1999. 416 с.

53. Проектирование технологии. Под ред. Ю.М. Соломенцева. Москва. Машиностроение 1990 с. 416

54. Расчет и выбор подшипников качения. Справочник. М: Машиностроение. 1974 г. 56 с.

55. Расчет машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник/ Под ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.

56. Расчеты на прочность в машиностроении. / С.Д. Пономарев, B.J1. Бидерман, К.К. Лихарев и др. М.:Машгиз, 1952. - 420 с.

57. Решетов Д.Н. Детали машин. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989.-496 с.

58. Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига: Зинатне, 1975. - 216 с.

59. Солоковский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. М. Л. Машгиз. 1946.-207 с.

60. Справочник металлиста. В пяти томах. Под ред. Н.С. Ачеркан. М. : Машгиз. 1960 г.

61. Средства технологического оснащения механосборочного производства. / А.А. Гусев, А.В. Балыков, В.П. Вороненко и др.: Под ред. А.А. Гусева. М.: Общество «Знание» РФ, 1992. 86 с.

62. Станочные приспособления в 2-х томах. Под ред. Б.Н. Вардашкина, В.В. Данилевского М.: Машиностроение. 1984 г.

63. Статья. Общие сведения об обозначении подшипников. Интернет http://www.sinor.ru/--~abccentre machin/r infol.htm 2004 г.

64. Технологические основы обеспечения качества машин.: Под ред. Акад. АН СССР К.С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.

65. Технологические основы проектирования средств механизации и автоматизации сборочных процессов в приборостроении / B.C. Корсаков, Б.М. Сошников, И.М. Шрайбман и др.: Под ред. B.C. Корсаков. М.: Машиностроение, 1970. 328 с.

66. Технологические проблемы в современном машиностроительном производстве / Сборник научных трудов. М.: МГТУ «Станкин», 1998.240 с.

67. Тимофеев Ю.М., Мельченко А.А., Захаров Н.В. Повышение качества сборки агрегатных станков. // СТИН. 1994. N 12. с. 12-17.

68. Ямпольский JI.C., Полищук М.Н. Оптимизация технологических процессов в гибких производственных системах. К.: «Техника», 1988.

69. Яхимович В.А. Ориентирующие механизмы сборочных автоматов. М.: машиностроение. 1975. 165 с.

70. Boothroyd, G., Poli, С. and Murch, L. E. Automatic Assembly. Marcel Dekker, 1982.

71. March, P. The Robot Age. Abacus, 1982.

72. Neubert G. , Walter U., Kunze K. Flexible automatisierte Montagezelle fur Drehmaschinenspannfutter. Fertigungstechriik und Betrieb, Berlin, 1 7, 1989 s. 405-408.

73. Nobbs, J., Hine, B. and Flemming, M. Sociology. Macmillan. 1976.