автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка технологии комплектования двурядных радиально-упорных шарикоподшипников на основе выбора рациональных комплектовочных параметров

/ ¿/су О

Саратовский государственный технический университет

На правах рукописи

Ворыпаев Николай Иванович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКТОВАНИЯ ДВУХРЯДНЫХ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫХ ШАРИКОПОДШИПНИКОВ НА ОСНОВЕ

ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ КОМПЛЕКТОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ

05.02.08. - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, академик РАЕН Королев А.В.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ РАБОТЫ..................8

1.1. Критический анализ современных технологий и технических средств, применяемых при комплектовании деталей для сборки двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников...........................................................8

1.2. Задачи исследования......................................................... 37

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

КОМПЛЕКТОВАНИЯ ДВУХРЯДНЫХ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫХ

ШАРИКОВЫХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ..........................39

2.1 Исходные данные, принятые ограничения и допущения .... 39

2.2. Анализ размерных связей двухрядного радиально-упорного

шарикоподшипника по функциональным параметрам.......45

2.2.1. Основные положения...............................................45

2.2.2.Основные размерные соотношения геометрии

контакта дорожек качения с шариком.....................48

2.2.3. Математическая модель двухрядного радиально-упорного подшипника при отклонениях размеров от номинальных с аналитическим учетом нелинейных членов.................................................52

2.2.4. Компьютерное моделирование контакта колец с шарами в подшипнике и оценка

точности формул.....................................................59

2.3. Разработка технологических основ реализации нового способа комплектования деталей для сборки двухрядных радиально-упорных подшипников.....................................67

2.3.1 Устройство и принцип действия измерительных

станций................................................................... 67

2.3.2. Основные размерные соотношения геометрии контакта дорожек качения с измерительным устройством............................................................71

2.3.3. Математическая модель измерения колец при отклонениях их размеров от номинальных с аналитическим учетом нелинейных членов.............74

2.3.4. Анализ математической модели комплектования

и выбор параметров измерительных станций...........78

2.4. Использование дополнительных измерений для уточнения геометрии колец, для настройки станка при обработке колец и для улучшения комплектования.....................................85

2.5. Выводы.............................................................................92

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................94

3.1. Объекты и средства исследования....................................94

3.2. Обработка экспериментальных данных........................... 109

3.3. Выводы........................................................................... 114

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................. 115

4.1. Адекватность математической модели............................ 115

4.2. Выводы........................................................................... 122

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. 123 5.1. Новая технология комплектования деталей для сборки

двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников ... 123

5.2. Конструкция автоматизированной установки комплектования деталей для сборки радиально-упорных подшипников.................................................................. 129

5.3. Экономическая эффективность от внедрения предложенной технологии по новому способу комплектования деталей для сборки подшипников сложных конструкций................... 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................... 149

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................... 151

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 162

ВВЕДЕНИЕ

Конкурентоспособность машиностроительной продукции в значительной степени зависит от качественных и стоимостных показателей изделий. Стремление достигнуть оптимального соотношения между затратами и качеством продукции приводит к необходимости совершенствования технологии изготовления изделий.

Отечественная подшипниковая промышленность освоила выпуск подшипников различных конструктивных групп, которые находят все более широкое применение в современном машино- и приборостроении. Особое место в повышении конкурентоспособности продукции занимает использование подшипников повышенной конструктивной сложности, в частности двухрядных шариковых ради-ально-упорных подшипников, применяемых в ступицах колес переднеприводных автомобилей.

Одной из основных причин преждевременного выхода из строя двухрядных радиально-упорных подшипников является сложившиеся в настоящее время и недостаточная для этих подшипников точность изготовления деталей и точность селективной сборки. Обеспечение точности взаимного расположения рабочих поверхностей наружных, внутренних колец и шаров в работающем подшипнике требует двухкоординатной сортировки, что значительно увеличивает трудоемкость сборки.

Поэтому проблема совершенствования точности сборки двухрядных радиально-упорных подшипников на основе использования новых способов комплектования деталей для их сборки, новых способов контроля размеров рабочих поверхностей этих деталей является крайне актуальной.

Целью данной работы является разработка технологии сборки двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников на основе обоснованного выбора рациональных комплектовочных параметров.

Научная новизна работы состоит в следующем. Предложена математическая модель процесса комплектования двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников с учетом размерных связей деталей подшипника. Выполнен анализ и синтез размерных связей. Разработаны технологические основы реализации нового способа комплектования деталей подшипников. Выполненный анализ, показал, что принятые размерные связи ограничивают возможность одновременного достижения высокой точности сборки по осевому зазору и углу контакта. Определена область допустимых отклонений размеров и их сочетаний для колец, поступающих на сборку, при условии обеспечения заданных значений осевого зазора и угла контакта.

Предложена методика для определения погрешности нового способа комплектования по сравнению с ранее применяемым способом комплектования по двум координатам (диаметру и осевому положению линии контакта). Эту погрешность необходимо учитывать при определении области применения способа (для формирования требований к точности обработки колец, подлежащих сборке по данному способу).

Прикладное значение работы состоит в том, что ее результаты позволяют на основе разработанной математической модели процесса комплектования деталей для сборки двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников анализировать размерные комплектовочные параметры и выбрать те из них, которые позволяют уменьшить количество размерных групп и, следовательно, повысить производительность, а также вводить обоснованные ограничения на до-

пускаемые отклонения размеров и сочетания отклонений размеров деталей, поступающих на сборку. Разработаны способы комплектования подшипников, контроля размеров рабочих поверхностей колец двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников, защищенные патентами РФ (№ 2066004 и № 2085842).

Предложены новые конструкции комплектовочного стенда и устройства для измерения дорожек качения колец двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников, защищенный патентом РФ № 2124150.

Применение разработанной технологии и оборудования обеспечило только в 1998 году выполнение контрактов на поставку 300 тыс. подшипников АО "АвтоВАЗ". За счет стабилизации качества подшипников, снижения затрат на изготовление деталей и трудоемкости сборки подшипников получен значительный экономический эффект.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Математическая модель технологического процесса комплектования деталей для сборки двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников.

2. Способ комплектования деталей для сборки двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников.

3. Способ контроля размеров рабочих поверхностей колец двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников.

4. Технология комплектования деталей для сборки двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников.

5. Конструкции средств технологического обеспечения комплектования деталей по новой технологии.

6. Практические рекомендации по внедрению результатов работы в подшипниковой промышленности.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1. Критический анализ современных технологий и технических средств, применяемых при комплектовании деталей для сборки

двухрядных радиально-упорных шарикоподшипников

Для радиально-упорных шарикоподшипников одним из основных показателей качества сборки является угол контакта колец и шаров и осевой зазор - зазор между кольцами и шариками в осевом направлении. Вся совокупность размеров, собранных в одном подшипнике деталей должна обеспечивать расчетный угол контакта и оптимальный осевой зазор с учетом деформации внутренних колец при монтаже подшипника в изделии. Сложность обеспечения точности сборки заключается в том, что необходимо одновременно обеспечить два выходных параметра.

Процесс формирования точности выходных параметров подшипников качения, которые следует относить к сверхпрецизионным изделиям, в общем случае, как показано в ряде работ [18, 22, 43, 45, 51, 52, 89, 96], должен рассматриваться с учетом погрешностей размеров деталей, случайного относительного взаимного расположения и отклонений геометрической формы деталей, характерных для применяемых методов их финишной обработки, погрешностей измерения размеров деталей при комплектовании, а также с учетом деформаций, в основном контактных, возникающих при измерении и контроле выходных параметров подшипника, и погрешностей алгоритма комплектования. Исходя из этого, достижение точности сборки при максимальной производительности должно предусматривать комплексный подход к разработке технологии сборки, финишной обработке деталей и контроля деталей и собранных подшипников.

В подшипникостроении наибольшее распространение получил метод селективной сборки, заключающийся в подборке деталей по их фактическим размерам, при этом детали при ручной сборке сортируют на определенное число размерных групп и комплектуются по номерам групп в соответствии с алгоритмом, обеспечивающим требуемые значения выходных параметров [21, 40, 47 ,85, 87, 93]. В технической литературе описано много разновидностей метода селективной сборки: раздельная сортировка деталей подшипника [22, 25, 46, 53] блочный метод комплектования [84, 88, 96], селективная сборка с применением компенсатора (компенсаторов) [13, 17].

Раздельная сортировка при комплектовании деталей для сборки применяется в производстве, например, радиальных одно- и двухрядных подшипников, радиально-сферических, радиально-упорных подшипников. Для последних и более сложных конструкций подшипников выходные параметры подшипников зависят не только от диаметров дорожек качения колец и тел качения (шариков), но и от других геометрических параметров деталей, характеризующих точность размеров и взаимного расположения их поверхности. Угол контакта радиально-упорных подшипников зависит от радиусов дорожек качения в осевой плоскости. Осевой (монтажный) зазор двухрядных радиально-упорных подшипников зависит и от радиусов дорожек качения в осевой плоскости, и от расстояния между дорожками качения двухрядного кольца.

В связи с вышеизложенным, раздельная сортировка, как правило, не обеспечивает требуемую точность комплектования деталей для сборки подшипников сложных конструкций. На практике при ее применении осуществляют повторное комплектование, при этом количество переборок подшипника составляет в среднем три [89]. Не-

совершенство такой технологии очевидны: большая трудоемкость и трудности в автоматизации до настоящего времени непреодолимы.

Блочный метод селективной сборки является более прогрессивным [84, 90, 96]. Использование его повышает производительность в 3-5 раз, а главное, основанная на нем технология сборки обеспечивает, по сравнению с раздельной сортировкой требуемую точность выходных параметров подшипников сложных конструкций. Однако, блочный метод не лишен и ряда недостатков, так как требует измерения блока нескольких деталей подшипника, собранных в сочетании, удобном для измерения или соответствующем взаимному положению деталей в собранном подшипнике.

Селективная сборка с компенсаторами применяется сравнительно редко, в основном при производстве крупно- и сверхкрупногабаритных подшипников, в конструкции которых предусмотрены специальные детали-компенсаторы, например, дистанционные кольца.

В технической литературе и на производстве имеется много примеров эффективного применения селективной сборки [48, 89]. Разработано много способов комплектования деталей для сборки подшипников качения [3, 5, 9, 13, 14, 16, 17, 57, 60] и соответствующих устройств [7, 10, 12, 56, 66, 76], в том числе для автоматического комплектования [67, 69, 79]. Исследованию эффективности комплектовочно-сборочных операций, расчету их точности посвящен ряд работ [21, 40, 44, 45]. Такой большой объем работ в области совершенствования технологии комплектования деталей для сборки подшипников свидетельствует об актуальности и нерешенности проблемы. В особенности это касается подшипников сложной конструкции, в частности радиально-упорных двухрядных шарикоподшипников, и основная задача заключается в необходимости дальнейшего

развития теоретических основ, обоснования математического и технологического обеспечения сборки таких подшипников.

Основные вопросы теории комплектования и сборки прецизионных изделий в машино- и приборостроении рассмотрены в работах [18, 22, 36, 45, 47, 89, 98]. Например, в работе [89] рассмотрены методы расчета точности комплектования деталей с учетом конструкторских и технологических факторов, а также погрешностей измерения при сортировке деталей или блоков на размерные группы. Рекомендована вероятная методика расчета отклонений выходного параметра подшипника. Рассмотрены также размерные цепи подшипников качения основных конструктивных типов. Методы и средства комплектования деталей для сборки шарикоподшипников рассмотрены в работе [21, 40, 45, 89]. К сожалению, в этих работах ограничиваются подшипниками сравнительно простых конструкций, в частности, в последней работе только радиальными подшипниками.

Большой вклад в развитие теоретических основ, совершенствование методов и средств обеспечения точности сборки прецизионных изделий типа подшипников качения внес профессор Л.В. Черневский [3, 6, 15, 17, 89, 90]. Он обосновал методологию комплексного подхода к разработке технологии сборки, финишной обработки и контроля с учетом их взаимосвязи и особенности применения предложенного метода технологического обеспечения точности сборки прецизионных изделий при максимальной производительности. Л.В. Черневский убедительно показал, что обеспечить требуемую точность выходных параметров при сборке прецизионных изделий невозможно без обобщения конструкторских, технологических и метрологических факторов. Разработанный им эффективный метод формирования выходных параметров при сборке с учетом действия всех этих факторов нашел широкое применение в подшипни-

костроении. На основе выполненных исследований разработаны новые способы комплектования и сборки подшипников, эффективные устройства, предложены типовые решения конструкторских, технологических и метрологических задач комплектования подшипников, в том числе сложных конструкций [6, 8, 15, 16, 17, 57, 77, 79].

В работе [36] показана высокая эффективность селективной сборки различных приборов и радиоэлектронной аппаратуры, рассмотрены теоретические основы системного проектирования и оптимизации технологических процессов сборки. В этой работе приведены также структурные схемы сортировочных и комплектовочных автоматических установок. Авторы справедливо отмечают присущие селективной сборке недостатки и указывают на ограничения в применении. Тем не менее они считают, что селективная сборка - это единственная возможность для достижения требуемой точности в условиях массового производства.

В последнее время появились работы [43, 44, 45.], обосновывающие возможность повышения эффективности селективной сборки методом индивидуального подбора комплектуемых деталей. Этот метод обеспечивает большую собираемость изделий, чем при групповой сборке, и меньше затраты на комплектование. Однако, он не получил должного теоретического обоснования и необходимого технологического обеспечения. Поэтому на практике данный метод используется редко.

В работе [21]