автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологической подготовки автоматизированной сборки резьб пневматическими средствами диагностики

На правах рукописи

ФЕДИН Сергей Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ РЕЗЬБ ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2004

Работа выполнена в Пензенском государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Трилисский Владимир Овсеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воячек Александр Иванович; кандидат технических наук, доцент Куренков Станислав Валентинович.

Ведущее предприятие: ФГУП НИИ физических измерений,

г. Пенза.

Защита состоится «_»_2004 года, в_час._мин.,

на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «_»_

2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Соколов В. О.

л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из эффективных направлений обеспечения качества выпускаемой продукции является совершенствование технологии сборки. Сборочные операции, как завершающий этап производственного процесса, во многом определяют потребительские свойства изделий и их технико-экономические показатели.

Резьбовые соединения (РС) составляют примерно 25...35% от всех используемых видов соединений в силу известных преимуществ, но трудоемкость их сборки продолжает оставаться высокой в основном из-за сравнительной сложности обеспечения требуемого качества сборочных работ.

Под качеством РС принято понимать способность обеспечивать в течение максимального времени плотность (или герметичность) стыков. Под качеством сборочной операции понимают точность достижения определенного уровня нагружения каждого РС и обеспечение равномерной затяжки при выполнении всех операций. Количественными показателями напряженного состояния в резьбовых зонах являются крутящий момент, угол поворота крепежного элемента, удлинение тела болта или же одновременно несколько показателей.

Проблему обеспечения качества РС решают различными способами, но для автоматизированных производств наиболее эффективным является подход, заключающийся в совершенствовании технологии и оборудования для сборки РС.

На качество операций сборки РС влияют несколько групп факторов:

- связанных с особенностями конструкции и элементов резьбового узла, применяемых материалов и покрытий;

- обусловленных особенностями используемых гайковертов и винтовертов и скоростью нагружения;

- зависящих от точности применяемых средств контроля (в том числе активного).

Каждая группа факторов формирует погрешности, которые обусловливают при сборке РС разброс контролируемого параметра затяжки (например, крутящего

конечном итоге лимитирует достижимое качество сборки. Поэтому исследования, направленные на минимизацию влияния перечисленных факторов на неравномерность затяжки PC, являются актуальными.

Цель работы. Повышение качества автоматизированной сборки резьбовых соединений за счет использования пневматических средств диагностики на стадии технологической подготовки сборочных работ.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, сопротивления материалов, дифференциального и интегрального исчисления, теории автоматического регулирования.

Экспериментальные исследования проводились в Специализированном КБ автоматизации и роботизации сборочных операций (АРСО) Пензенской технологической академии на аттестованных контрольно-измерительных стендах.

Обработка результатов экспериментов выполнялась методами математической статистики на персональных компьютерах.

Научная новизна. 1. Предложен новый пневматический способ диагностики резьбосборочного инструмента на стадии технологической подготовки производства, обеспечивающий повышение качества сборки PC за счет повышения точности контроля усилий их затяжки.

2. Получены математические модели формирования погрешности измерения крутящих моментов у гайковертов статического и ударно-вращательного действия, позволяющие прогнозировать точность сборки PC.

3. Установлены связи между величиной момента затяжки, параметрами пневматического контрольного устройства и его метрологическими характеристиками, обеспечивающие возможность настройки на требуемый типоразмер собираемых резьб.

Практическая ценность. 1. Предложена методика обеспечения требуемого качества автоматизированной сборки PC путем применения на стадии технологической подготовки производства пневматических средств диагностики сборочного инструмента.

2. Разработан и изготовлен опытный образец пневматического контрольного устройства для измерений крутящих моментов у гайковертов статического и ударного действий.

3. Получены необходимые значения параметров настройки предложенного контрольного устройства и разработаны рекомендации по его использованию для контроля моментов затяжки при сборке резьбовых соединений MI...MIA.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований переданы для внедрения на Калининградский завод по производству строительных металлоконструкций ООО «Лукойл-Калининградмор-нефть» для настройки резьбосборочного инструмента, используемого при периодической диагностике резьбовых соединений морских стационарных буровых платформ.

Применение устройства позволило сократить время диагностических работ в 1,3... 1,6 раза за счет повышения точности настройки инструмента и исключения дополнительных операций.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ контроля крутящих моментов и пневматическое устройство для диагностики инструмента, применяемого при автоматизированной сборке PC.

2. Совокупность зависимостей, описывающих параметры настройки и метрологические характеристики пневматического контрольного устройства.

3. Методика обеспечения качества сборки PC на стадии технологической подготовки производства.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на конференциях и заседаниях:

Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2001);

Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2002);

Международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2002);

Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков», (Пенза, 2003);

заседаниях кафедр «Металлообрабатывающие станки и комплексы» Пензенского государственного университета и «Технология общего и роботизированного производства» Пензенской технологической академии.

♦ Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 70 наименований, и приложений. Она содержит 116 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 13 таблиц и приложение на 17 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ методов и средств обеспечения качества автоматизированной сборки PC в нашей стране и за рубежом. Определены цель и задачи исследований.

В практике выполнения технологических операций автоматизированной сборки PC качественные показатели принято оценивать через неравномерность (разброс) затяжки по одному или нескольким контролируемым параметрам: крутящему моменту, углу поворота, удлинению. Наиболее распространен контроль по крутящему моменту.

При этом, вне зависимости от выбора контролируемого параметра, разброс затяжки в основном обусловлен собственно точностью сборочного инструмента, точностью его настройки и точностью изготовления сопрягаемых элементов резьбового соединения.

Вопросам совершенствования технологии автоматизированной сборки PC и обеспечения ее качества посвящены работы И. И. Артемова, А. А. Гусева, С. Я. Березина, В. Т. Бойко, В. Л. Вей-ца, Ю. 3. Житникова, Д. Ф. Брюховца, Г. Б. Иосилевича, В. Д. Максимовича, В. Д. Утенкова и многих других отечественных и зарубежных ученых. В частности показано, что одним из необходимых условий обеспечения качества сборки PC является входной контроль точности применяемого крепежа.

Эффективными также могут быть различные варианты совершенствования конструкций резьбосборочного инструмента, из которого наиболее широко в автоматизированном производстве используется пневмоинструмент.

В то же время вопросы настройки сборочного инструмента при подготовке его к работе и диагностика в процессе эксплуатации в большинстве своем еще не нашли удовлетворительного практического решения.

В практике подготовки операций сборки PC для настройки и диагностики гайковертов и другого резьбосборочного инструмента в

отечественной промышленности и за рубежом применяют различные динамометрические устройства (в т. ч. динамометрические ключи), а также специальное контрольно-диагностическое оборудование.

Применение динамометрических устройств позволяет осуществлять сборку РС с разбросом усилия затяжки примерно 15%. Специальные контрольно-измерительные средства обеспечивают более высокую точность настройки резьбосборочного инструмента. Принцип действия таких устройств основан на использовании индуктивных, тензометрических и других типов датчиков в сочетании с вторичными преобразователями. Однако известные конструкции контрольно-диагностических устройств сложны в эксплуатации и требуют специальных методов тарировки, а их использование, несмотря на сравнительно высокую точность измерений, приводит к повышению трудоемкости сборочных операций.

В то же время, на основе широко используемого в машиностроении пневматического метода измерений, возможно создание эффективных способов и устройств диагностики, использование которых на стадии технологической подготовки обеспечит повышение качества сборки РС.

На основе изложенного были определены следующие задачи исследований:

1) разработать пневматический способ диагностики резьбосбо-рочного инструмента, обеспечивающий повышение эффективности и качества сборки РС;

2) создать опытный образец пневматического устройства для настройки гайковертов, винтовертов и шпильковертов по величине крутящего момента и выполнить экспериментальные исследования по проверке его работоспособности;

3) разработать математические модели формирования погрешностей измерения при использовании пневматического способа диагностики, обеспечивающие возможность прогнозирования точности сборки РС;

4) установить связи между диагностируемыми параметрами и точностью выполнения сборки РС;

5) разработать методику использования пневматических контрольно-диагностических устройств для настройки гайковертов на стадии подготовки операций сборки PC и внедрить в производство полученные результаты работы.

Во второй главе выполнен анализ влияния погрешности затяжки PC на качество сборочной операции и приведены результаты разработки пневматического способа контроля крутящего момента, развиваемого сборочным инструментом, в основу которого положена дифференциальная пневматическая схема измерений манометрического типа.

Известно, что основной задачей при автоматизированной сборке PC является обеспечение высоких значений коэффициента использования (отношения напряжения затяжки к пределу текучести) материала. Решение этой задачи осложняется наличием случайных факторов, влияющих на фактическую величину момента затяжки. Погрешность настройки резьбосборочного инструмента является систематической составляющей рассеяния затяжки. Ее уменьшение позволяет более эффективно использовать запас прочности материала элементов PC.

В главе дано обоснование целесообразности использования пневматического способа контроля момента затяжки PC, получены его структурная и функциональная схемы, а затем, на основе операторного метода, получена передаточная функция всей системы в виде «разомкнутой системы автоматического регулирования».

Принципиальная схема реализации способа приведена на рисунке 1.

Сущность способа контроля заключается в том, что в качестве основного чувствительного элемента использован сильфон СФ, герметично разделяющий две рабочие камеры К1

Рисунок 1 - Принципиальная схема пневматического способа контроля крутящих моментов

и К2 на два равных «объема», через которые пропускается сжатый воздух.

В равновесном состоянии давление воздуха снаружи и внутри сильфона одинаково. Если же в любой из камер К1 и К2 характеристики воздушного потока (например, давление или расход) изменяются, то подвижные гофры сильфона СФ начнут деформироваться и величину этих перемещений регистрируют блоком индикации БИ (например, с помощью индикатора часового типа).

При приложении к узлу восприятия крутящего момента УМ измеряемого крутящего момента (например, от гайковерта через Г-об-разный рычаг) упругая пластина УП деформируется и изменяет измерительный зазор 52, что приводит к выходу пневматической схемы из состояния равновесия. При этом изменяется расход воздуха через измерительное 52 и эталонное 51 сопла, а также давление воздуха внутри и снаружи сильфона СФ и гофры последнего начинают деформироваться.

Таким образом, посредством визуального отсчета сигнала с блока индикации БИ, регистрирующего перемещения гофр сильфона СФ, оценивают величину приложенного крутящего момента (например, от гайковерта).

Для оценки технологических возможностей разработанного пневматического способа контроля крутящих моментов получены зависимости, определяющие его основные динамические характеристики:

- зависимость, характеризующая изменение давления в «измерительной ветви» пневмомагистрали

— зависимость, характеризующая изменение давления в «эталонной ветви» (противодавления)

(1)

- уравнение перемещений подвижных элементов (гофр сильфона и подвижной ножки индикатора часового типа)

где V - начальный объем;

Р и С — соответственно эффективная площадь и приведённая жесткость сильфона;

т - приведенная масса подвижной системы; Д(г — изменение расхода воздуха в камерах.

Так как при измерениях крутящих моментов у гайковертов изменение объема рабочих камер внутри и снаружи сильфона незначительно, динамику процесса достаточно достоверно отражает дифференциальное уравнение 2-го порядка следующего вида:

d2X t Т d2X dt2 л dt

+ Х = Х,

(4)

где — динамическая и статическая составляющие перемеще-

ния гофр сильфона;

Тм и Та - постоянные времени, зависящие соответственно от механических и пневматических параметров.

Учитывая, что для сильфонных контрольных устройств характерен апериодический вид переходного процесса, зависимость для времени переходного процесса (при можно представить

следующим образом:

t<=Tn\ п

vt:

(5)

Для определения постоянной времени (при 0,05 0,2 МПа)

использована зависимость, соответствующая середине линейного участка статической характеристики h{S)

_ 2,7-10"5 - V'y/lO-H

u d2

Г1Х ИХ

где V - объем межсопловой камеры, см3; - рабочее давление, МПа;

</вх — диаметр отверстия входного сопла, см; - «динамический» коэффициент расхода

При определении погрешности измерения рассмотрены погрешности, связанные с получением сигнала и его преобразованием.

На этапе получения сигнала погрешность обусловлена взаимодействием потока воздуха, поступающего из сопла, с упругой пластиной, имеющей определенную шероховатость поверхности. Анализ показал, что величина этой составляющей погрешности, являющейся систематической, не превышает 0,2 мкм и может быть учтена при тарировке устройства контроля крутящего момента.

Погрешность, связанная с преобразованием сигнала, зависит от характера воздействия на упругую пластину. Для гайковертов статического действия входной сигнал имеет линейный вид. Для гайковертов импульсного (ударно-вращательного) действия — будет представлять собой серию импульсов.

Получены зависимости, позволяющие оценить точность измерений крутящих моментов у гайковертов статического и импульсного действий.

В третьей главе приведены описание конструкции разработанного пневматического контрольного устройства и методики проведения экспериментальных исследований по оценке возможности его использования для проведения контрольно-диагностических работ с резьбозавертывающим инструментом.

Пневматическое контрольное устройство (рисунок 2) конструктивно выполнено в виде автономного блока, на основании которого смонтированы узел подготовки воздуха, узел приложения нагрузки и узел измерений крутящего момента.

Подготовка воздуха обеспечивается стандартным набором пнев-моаппаратуры, а измеряемый крутящий момент через Г-образный рычаг воспринимается упругой пластиной и при изменении состояния чувствительного элемента (сильфона) регистрируется индикатором.

Рисунок 2 - Внешний вид пневматического устройства для измерений крутящих моментов (со снятой крышкой):

/ - входной штуцер со шлангом; 2 - редукционный клапан со стабилизатором давления; 3 - манометр; 4 - корпус пневмокамеры;

5- сильфон СФ; б- измерительный наконечник;

7 - узел приложения крутящего момента; 8 - индикатор

Методика проведения экспериментальных исследований разработанного контрольного устройства включает следующие этапы:

1) установление диапазона измерительных зазоров между соплом и упругой пластиной, обеспечивающих минимальную погрешность измерения. Для этого спроектировано и изготовлено специальное приспособление, позволяющее регистрировать зазоры с точностью до 0,001 мм;

2) проверка основного чувствительного элемента (сильфона) путем создания перепада рабочих давлений в его камерах внутри него и снаружи;

3) определение требуемого количества диапазонов измерений пневматического контрольного устройства, установление конструктивных размеров упругой пластины, воспринимающей нагрузку для каждого из диапазонов и зависимость деформации пластины от величины прикладываемой к ней нагрузки;

4) получение основных тарировочных характеристик для всех диапазонов измерений в виде зависимостей измеряемого крутящего момента от деформации гофр сильфона, фиксируемых индикатором.

В этой же главе приведены методика обработки экспериментальных данных и порядок сравнения основных характеристик разработанного контрольного устройства с известными аналогами.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению эксплуатационных параметров уст-

ройства, реализующего пневматический способ контроля крутящих моментов.

Эксперименты проведены в соответствии с разработанной методикой. Установлено, что для осуществления настройки инструмента, используемого для автоматизированной сборки резьб М2...М24, необходимо четыре диапазона и сменные упругие пластины. Обеспечение стабильной точности измерения возможно, если при приложении крутящего момента деформация упругой пластины линейна. Это условие выполняется при величинах деформаций 0,1...0,8 мм. При этом допустимый перепад давлений во взаимоизолированных камерах сильфона составляет 0,02...0,06 МПа, а рекомендуемый диапазон измерительных зазоров -0,1. ..0,2 мм.

Для каждого диапазона собираемых резьбовых соединений и собственно измеряемого крутящего момента определены размеры основной упругой пластины и пневматической чувствительности прибора (таблица 1), представляющей собой крутизну зависимости деформации сильфона (Д£СФ) от крутящего момента (М^,):

Таблица 1 - Размеры основной упругой пластины

Характеристики устройства измерения момента затяжки Диапазоны собираемых резьб

М2...М6 Мб.. .А/10 М10...М16 М16...М24

Диапазоны измеряемого крутящего момента, Н ■ м

0...10 5...15 10... 100 50...200

Пневматическая чувствитель- Нм ность,- ММ б,5...7,8 93,3...133,3 500...525 890... 1080

Геометрические размеры упругой пластины, мм 80x20x1,65 80x20x4 80x20x7,5 80x20x9,5

Рисунок 3 - Зависимости крутящего момента от деформации сильфона Мщ, — /(ALqф)

Установлено, что точность измерений созданного пневматического контрольного устройства соответствует современным зарубежным аналогам и примерно на порядок выше, чем у динамометрических ключей. В сочетании с простотой, компактностью, низкой стоимостью и незначительными затратами времени на получение калибровочных характеристик устройство может быть эффективно использовано для оперативного диагностирования гайковертов, винтовер-тов и шпильковертов любого принципа действия, для затяжки PC Ml.. .MIA с погрешностью измерений от 3 до 7% .

В пятой главе приведены результаты экспериментальной проверки разработанной методики настройки резьбосборочного оборудования на стадии технологической подготовки сборочных операций, а также результаты внедрения работы.

Сравнительная оценка эффективности использования созданного пневматического контрольного устройства для настройки гайковертов проводилась на резьбовых соединениях, изготовленных в соответствии с ГОСТ 10210-83 из одной партии металла: резьбовые втулки - сталь ст.З ГОСТЗ 80-2001, болты (без покрытия) - сталь ст. 20

Г0СТ1050-94. Шероховатость поверхностей под головками болтов и резьбовой части составляла Яа = 3,2 мкм.

Для затяжки РС использовались стационарный гайковерт модели АМЕ-36 статического действия, гайковерт модели ИП-3112А ударно-вращательного действия и динамометрический ключ модели ДК-15, обеспечивающий возможность измерения моментов в диапазоне 0...150 Нм с погрешностью 5 Нм. Исследования проводились на трех партиях резьбовых соединений Л/6, МБ, М1 2, характер

Уровень затяжки РС оценивался по степени удлинения стержня болта, которое измерялось до и после затяжки микрометром МК25...50 ГОСТ 6507-78 (погрешность измерений ± 0,001 мм). Требуемые моменты затяжки устанавливались расчетным путем по известным методикам при значениях коэффициента использования предела текучести 0,8 5... 0,93.

Сборка проводилась динамометрическим ключом и предварительно настроенными с помощью пневматического контрольного устройства гайковертами. Полученные результаты (характеристики рассеяния удлинения болтов, косвенно характеризующие рассеяние момента затяжки) приведены в таблице 2, из которой видно, что более точная настройка гайковертов (с помощью пневматического контрольного устройства) обеспечивает уменьшение рассеяния моментов затяжки РС примерно в 3 раза в сравнении с динамометрическим ключом.

Это создает предпосылки для более рационального использования прочностных свойств сопрягаемых деталей и уменьшения металлоёмкости РС в целом.

Опытный образец созданного устройства передан для внедрения на завод по производству металлоконструкций ООО «Лукойл-Кали-нинградморнефть» для настройки резьбосборочного инструмента, используемого при периодической диагностике резьбовых соединений морских стационарных буровых платформ.

посадки

Тип резьбо-сборомного инструмента ДК-15 АМЕ-36 ИП-3112А

Параметры рассеивания величины затяжки А/6 Ж М\2 Мб Ж М12 Мб Ж М12

Размах отклонения, А, Нм 0,035 0,034 0,042 0,012 0,014 0,013 0,014 0,014 0,012

Эмпирическое среднее, х, Нм 0,0401 0,0368 0,0359 0,034 0,0302 0,0308 0,0304 0,026 0,0318

Среднее квадратичное отклонение, О, Н-м 0,0076 0,0074 0,0084 0,0028 0,0029 0,0026 0,01 0,052 0,03

Коэффициент вариации, 0,1895 0,2017 0,234 0,082 0,0974 0,0844 0,0331 0,0808 0,0938

Применение устройства позволило сократить время диагностических работ в 1,3... 1,6 раза за счет повышения точности настройки инструмента и исключения дополнительных операций до затяжки РС.

Основные выводы и результаты работы

1. Показано, что качеством процесса автоматизированной сборки РС, которое лимитируется разбросом требуемого момента затяжки, можно управлять на стадии технологической подготовки сборочных работ путем применения средств оперативной диагностики гайковертов, винтовертов, а также динамометрических и предельных ключей.

2. Разработаны пневматический способ контроля крутящих моментов и устройство для его реализации, обеспечивающее возможность осуществления с высокой точностью диагностики состояния

сборочного инструмента как перед проведением сборочных операций, так и в процессе их осуществления.

3. Определены основные динамические характеристики разработанного пневматического способа контроля крутящих моментов и получены математические модели для расчета возможных погрешностей в случае измерений крутящих моментов у гайковертов статического и ударно-вращательного действия.

4. Установлено, что для настройки гайковертов, шпильковертов и другого резьбосборочного инструмента в диапазоне крутящих моментов 0...200 Н • м реализация пневматического способа измерений возможна при величинах измерительных зазоров 0,1...0,2мм, перепаде давления во взаимоизолированных камерах сильфона 0,02...0,06 МПа и прогибе упругих пластин в пределах 0,1...0,8 мм.

5. Разработана методика проведения контрольно-диагностических работ на стадии технологической подготовки операций сборки резьбовых соединений, регламентирующая порядок использования пневматического контрольного устройства и получения необходимых калибровочных характеристик.

6. Экспериментальная проверка эффективности применения пневматического контрольного устройства на гайковертах различных типов показала, что диапазон рассеяния момента затяжки РС уменьшается примерно в 3 раза. Промышленное использование устройства в ООО «Лукойл-Калининградморнефть» позволило в 1,3.. 1,6 раза сократить время проведения диагностических работ резьбовых соединений морских стационарных буровых платформ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Федин, С. В. Применение пневматических устройств для настройки гайковертов [Текст] / А. В. Ланщиков, С. В. Федин // Современные технологии в машиностроении - 2001: сб. материалов IV Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2001.-4.2.-С. 120-122.

2. Федин, С. В. Устройства для настройки гайковертов [Текст] / А. В. Ланщиков, В. Б. Моисеев, С. В. Федин // Прогрессивные техно-

логии и оборудование в машиностроении и металлургии: сб. материалов Всерос. науч.-техн. конф. 25-26 апреля 2002 г. - Липецк: ЛГТУ, 2002. - Ч. 1. - С. 56-58.

3. Федин, С. В. Технологические факторы, влияющие на качество сборки резьбовых соединений [Текст] / А. В. Ланщиков, С. В. Федин,

A. Н. Потемкин // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии: сб. материалов Всерос. науч.-техн. конф. 25-26 апреля 2002 г. - Липецк: ЛГТУ, 2002. - Ч. 1. - С. 59-60.

4. Федин, С В. Диапазоны измерений для пневматических устройств настройки гайковертов [Текст] / А. В. Ланщиков, С. В. Федин // Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГАСА, 2002. -4.1.-С. 69-72.

5. Пат. Российская Федерация, МПК7 О 01 Ь 3/14, О 01 Ь 5/24. Способ контроля крутящего момента и пневматическое устройство для его реализации [Текст] / А. В. Ланщиков, В. Б. Моисеев,

B. О. Трилисский, С. В. Федин. - № 2199099; опубл. 20.02.03. Бюл. № 5.

6. Федин, С. В. Динамические характеристики пневматического устройства для измерений крутящих моментов [Текст] // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: материалы УШ Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2003.-4.2.-С. 124-128.

Федин Сергей Владимирович

Совершенствование технологической подготовки автоматизированной сборки резьб пневматическими средствами диагностики

Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения

Редактор В. В. Чувашова Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Н. А. Сидельникова Компьютерная верстка С. П. Черновой

ИД № 06494 от 26.12.01 Сдано в производство 18.10 04. Формат 60х84'/1б. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 653. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

№2084ft

РНБ Русский фонд

2005-4 22565

ВВЕДЕНИЕ

1 .АНАЛИЗ СРЕДСТВ И СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СБОРКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.1 .Нормируемые показатели качества сборки резьбовых соединений

1.2.Способы и средства контроля уровня затяжки PC, применяемые при сборке и настройке гайковертов

1.2.1 .Контроль затяжки PC на стадии сборки 1J

1.2.2.Специальное контрольно-диагностическое оборудование и оснастка 1.3.Особенности нагружения PC и его технологическое обеспечение

1 АПневматические средства и способы контроля, применяемые при оценке нормируемых показателей качества сборки PC

Выводы. Цель и задачи исследований.

2.РАЗРАБОТКА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО СПОСОБА КОНТРОЛЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ПРИ СБОРКЕ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

2.1.Механизм образования погрешностей при подготовке 46 операций сборки PC

2.2,Обоснование необходимости, предпосылки и ограничения 51 при разработке пневматического способа

2.3.Структурная и функциональная схемы

2.4.Принципиальная схема

2.5.Динамические характеристики способа контроля

2.6.0ценка точности измерений крутящего момента

2.6.1.Погрешности, возникающие при использовании 67 гайковертов статического действия

2.6.2.Погрешности, возникающие при использовании 69 гайковертов импульсного (ударно-вращательного) действия

Выводы по главе з.методика экспериментальных 72 исследований

3.1 .Программа и содержание экспериментов

3.2.Конструктивные особенности опытного образца

3.3.Подготовка «ПНГ-04П» к работе и порядок выполнения 78 измерений крутящих моментов

3.^Вспомогательные оборудование и оснастка

3.5.Выбор диапазонов измерений и методика получения 82 тарировочных характеристик

3.6.Методика обработки экспериментальных данных 85 Выводы по главе

4.0пределение эксплуатационных параметров устройства для контроля крутящих моментов

4.1 .Установление диапазона измерительных зазоров 88 4.2.0пределение диапазона рабочих давлений в камерах сильфона 89 4,З.Определение степени линейности основной упругой пластины

4.4.Получение основных калибровочных зависимостей

4.5.Сравнение характеристик пневматического контрольного устройства с аналогами 98 Выводы по главе

5. эффективность и практическая реализация результатов исследований

5.1.Сравнительная оценка эффективности использования пневматического устройства при выполнении резьбосборочных операций

5.2.Практическая реализация и возможные области применения результатов работы.

Выводы по главе

Одним из эффективных направлений обеспечения качества выпускаемой продукции является совершенствование технологии сборки. Сборочные операции, как завершающий этап производственного процесса, во многом определяют потребительские свойства изделий и их технико-экономические показатели.

Резьбовые соединения (PC) составляют примерно 25.35% от всех используемых видов соединений в силу известных преимуществ, но трудоемкость их сборки продолжает оставаться высокой в основном из-за сравнительной сложности обеспечения требуемого качества сборочных работ.

Под качеством PC принято понимать способность обеспечивать в течении максимального времени плотность (или герметичность) стыков. Под качеством сборочной операции понимают точность достижения определенного уровня нагружения каждого PC и обеспечение равномерной затяжки при выполнении всех операций. Количественными показателями напряженного состояния в резьбовых зонах являются крутящий момент, угол поворота крепежного элемента, удлинение тела болта или же одновременно несколько показателей.

Проблему обеспечения качества PC решают различными способами, но для автоматизированных производств наиболее эффективным является подход, заключающийся в совершенствовании технологии и оборудования для сборки PC.

На качество операций сборки PC влияют несколько групп факторов:

- связанных с особенностями конструкции и элементов резьбового узла, применяемых материалов и покрытий;

- обусловленных особенностями используемых гайковертов и винтовертов и скоростью нагружения;

- зависящих от точности применяемых средств контроля (в том числе активного).

Каждая группа факторов формирует погрешности, которые обуславливают при сборке PC разброс контролируемого параметра затяжки (например, крутящего момента). Величина этого разброса в конечном итоге лимитирует достижимое качество сборки. Поэтому исследования, направленные на минимизацию влияния перечисленных факторов на неравномерность затяжки PC являются актуальными.

Методы исследований

Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, сопротивления материалов, дифференциального и интегрального исчисления, теории автоматического регулирования.

Экспериментальные исследования проводились в

Специализированном КБ автоматизации и роботизации сборочных операций (АРСО) Пензенской технологической академии на помощью аттестованных контрольно — измерительных стендах.

Обработка результатов экспериментов выполнялась методами математической статистики на персональных компьютерах.

Научная новизна

1. Предложен новый пневматический способ диагностики резьбосборочного инструмента на стадии технологической подготовки производства, обеспечивающий повышение качества сборки PC за счет повышения точности контроля усилий их затяжки.

2. Получены математические модели формирования погрешности измерения крутящих моментов у гайковертов статического и ударно-вращательного действия, позволяющие прогнозировать точность сборки PC.

3. Установлены связи между величиной момента затяжки, параметрами пневматического контрольного устройства и его метрологическими характеристиками, обеспечивающие возможность настройки на требуемый типоразмер собираемых резьб.

Практическая ценность

1. Предложена методика обеспечения требуемого качества автоматизированной сборки PC путем применения на стадии технологической подготовки производства пневматических средств диагностики сборочного инструмента.

2. Разработан и изготовлен опытный образец пневматического контрольного устройства для измерений крутящих моментов у гайковертов статического и ударного действия.

3. Получены необходимые значения параметров настройки предложенного контрольного устройства и разработаны рекомендации по его использованию для контроля моментов затяжки при сборке резьбовых соединений М2. .М24.

Реализация результатов

Результаты исследований переданы для внедрения на Калининградкий завод по производству строительных металлоконструкций ООО «Лукойл-Калининградморнефть» для настройки резьбосборочного инструмента, используемого при периодической диагностике резьбовых соединений морских стационарных буровых платформ.

Применение устройства позволило сократить время диагностических работ в 1,3. 1,6 раза за счет повышения точности настройки инструмента и исключения дополнительных операций.

Автор защищает

1. Способ контроля крутящих моментов и пневматическое устройство для диагностики инструмента, применяемого при автоматизированной сборке PC.

2. Совокупность зависимостей, описывающих параметры настройки и метрологические характеристики пневматического контрольного устройства.

3. Методику обеспечения качества сборки PC на стадии технологической подготовки производства.

Апробация

Основные положения работы были доложены и обсуждены на:

Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», г.Пенза, 2001 г.;

Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные техно-логии и оборудование в машиностроении и металлургии» г. Липецк,

2002 г.;

Международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств», г. Пенза, 2002 г.;

Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков», г. Пенза,

2003 г.;

Заседаниях кафедр «Металлообрабатывающие станки и комплексы» Пензенского государственного университета и «Технология общего и роботизированного производства» Пензенской технологической академии.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 6 печатных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 70 наименований и приложений. Она содержит 116 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 13 таблиц и приложение на 17 страницах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано, что качеством процесса автоматизированной сборки PC, которое лимитируется разбросом требуемого момента затяжки, можно управлять на стадии технологической подготовки сборочных работ путем применения средств оперативной диагностики гайковертов, винтовертов, а также динамометрических и предельных ключей.

2. Разработан пневматический способ контроля крутящих моментов и устройство для его реализации, обеспечивающее возможность осуществления с высокой точностью диагностики состояния сборочного инструмента, как перед проведением сборочных операций, так и в процессе их осуществления.

3. Определены основные динамические характеристики разработанного пневматического способа контроля крутящих моментов и получены математические модели для расчета возможных погрешностей, в случае измерений крутящих моментов у гайковертов статического и ударно-вращательного действия.

4. Установлено, что для настройки гайковертов, шпильковертов и другого резьбосборочного инструмента в диапазоне крутящих моментов 0.200Н • м реализация пневматического способа измерений возможна при величинах измерительных зазоров 0,1.0,2мм, перепаде давления во взаимоизолированных камерах сильфона 0,02.0,06МПа и прогибе упругих пластин в пределах 0,1.0,8мм .

5. Разработана методика проведения контрольно-диагностических работ на стадии технологической подготовки операций сборки резьбовых соединений, регламентирующая порядок использования пневматического контрольного устройства и получения необходимых калибровочных характеристик.

6. Экспериментальная проверка эффективности применения пневматического контрольного устройства на гайковертах различных типов показала, что диапазон рассеяния момента затяжки PC уменьшается примерно в 3 раза. Промышленное использование устройства в ООО «Лукойл-Калининградморнефть» позволило в 1,3. 1,6 раза сократить время проведения диагностических работ резьбовых соединений морских стационарных буровых платформ.

1. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. Справочник./ Г.Б.Иосилевич, Г. Б.Строганов, Ю.В.Шарловский.-М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

2. Сборка и монтаж изделий машиностроения: Справочник в 2-х т., Т.2. /Под ред. В.С.Корсакова и В.К.Замятина.- М.: Машиностроение, 1983.480 с.

3. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. 368 с.

4. Ланщиков А.В., Моисеев В.Б. Технология и оборудование автоматизированной сборки резьбовых соединений (Монография), Пенза, Пенз. гос. ун-т, 1999.- 260 с.

5. Ланщиков А.В. Обеспечение качества резьбовых соединений технологическими методами сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении, № 3, 2002, с.29-32.

6. Ю.Бовсуновский Я.И., Свечников Л.В. Механизация и автоматизация контрольных операций в машиностроении и приборостроении., М.: Машгиз, 1961. 318 с.

7. П.Жуков В.В. Разработка и исследование автоматических быстродействующих пневмовихревых устройств контроля резьб крепежных деталей./Дисс.канд.техн.наук, М., 1982.-212 с.

8. Ицков Л.Я. Исследование вопросов нормирования усилия затяжки резьбовых соединений./Дисс. канд.техн.наук.- М.: 1973.- 250 с.

9. Карасев А.П. Исследование путей повышения качества сборки резьбовых соединений./Дисс. канд.техн.наук.- Челябинск,1979.- 310с.

10. Колчин А.В. Датчики средств диагностирования машин.- М.: Машиностроение, 1984.- 120 с.

11. Ланщиков А.В. Пневматические методы и средства диагностики оборудования для сборки резьбы//В сб.статей Международной НТК «Точность технологических и транспортных систем», Пенза, ПДЗД998, с.11-16.

12. Высоцкий А.В., Курочкин А.П. Пневматические средства измерений линейных величин в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1979.- 206 с.

13. Журавлев J1.A. Научные основы автоматизации контроля и анализа качества выпускаемой продукции в машиностроении./Дисс. канд.техн.наук. Ростов на Дону,1981. - 221с.

14. Покровский Б.С. Механосборочные работы и их контроль. М.: Высшая школа, 1989. 271 с.

15. Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для ВУЗов/ Под ред. Е.М.Душина.- JL: Энергоатомиздат, 1987.-480 с.

16. A.C. СССР № 1477534, В 25 В 23/14, Динамометрический ключ // Ф.Н.Канареев, Л.Б.Шрон, Опубл.07.05.89 г., Б.И.-17.

17. А.С. СССР № 1375439, В 25 В 23/14, Устройство для затяжки резьбовых соединений // А.Я.Ужлаков, В.С.Капитонов, Опубл.23.02.88 г., Б.И.-7.

18. Харисов Г.Х. Повышение точности затяжки резьбовых соединений // Вестник машиностроения, 1982, № 10, с.45-47.

19. А.с. СССР № 1509645, G 01 L 5/24, Способ измерения энергии удара и устройство для его осуществления // В.В.Устинов, Н.А.Гонольд, Опубл.23.09.89 г., Б.И.-35.

20. А.С. СССР № 1500081, G 01 L 5/24, Способ контроля затяжки резьбовых соединений // Д.Д.Гуцал, Опубл. 15.08.89 г., Б.И.-30.

21. А.С. СССР № 1364922, G 01 L 5/24, Устройство для контроля усилия затяжки в резьбовых соединениях // В.Ф.Амельченко, В.В.Алимкин,

22. A.А.Старостин, 0публ.07.01.88 г., Б.И.-1.

23. А.С. СССР, № 1609637, МКИ В 25 В21/00, G 01 L 5/24. Устройство для настройки гайковертов.// Ланщиков А.В., Гринин Г.П., Десятое О.А., Аниськин А.Ю., Опубл.-ЗО. 11.90., Бюл.- 44.

24. Патент РФ № 2112639, МКИ В 25 В 21/00, G 01 L 5/24. Устройство для настройки гайковертов // Ланщиков А.В., Моисеев В.Б., Еремин Ю.А., Опубл. 10.06.98, Бюл.-16.

25. Активный контроль размеров.// С.С.Волосов, М.Л.Шлейфер,

26. B.Я.Рюмкин и др./ Под ред. С.С.Волосова, М.: Машиностроение, 1984.224 с.

27. Куратцев Л.Е., Цирюльников И.М. Приборы размерного контроля на элементах пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1977.- 135 с.

28. Активный контроль в машиностроении. Справочник. // Под ред. Е.И.Педя, М.: Машиностроение, 1978.- 352 с.

29. Цидулько Ф.В. Точность пневматического контроля линейных размеров, М.: Изд-во стандартов, 1976.- 155 с.

30. Сильфоны. Расчет и проектирование /Андреева Л.Е., Беседа А.И., Богданова Ю.А. и др./ Под ред. Л.Е.Андреевой, М.: Машиностроение, 1975.- 159 с.

31. Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. М.: Машгиз, 1962.- 456 с.

32. Кондашевский В.В., Лотце В. Активный контроль размеров деталей на металлорежущих станках./ Омск, Западно-сибирское книжное издательство, 1976.-431 с.

33. Ланщиков А.В., Моисеев В.Б., Федин С.В. Устройства для настройки гайковертов // Сб.материалов Всероссийской НТК «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» 25-26 апреля 2002 г., Ч. 1,- Липецк: ЛГТУ, 2002, с.56-58.

34. Патент РФ № 2199099, МПК-7 G 01 L 3/14, G 01 L 5/24, Способ контроля крутящего момента и пневматическое устройство для его реализации // Ланщиков А.В., Моисеев В.Б., Трилисский В.О., Федин С.В., Опубл. 20.02.03 г., Бюл. - 5.

35. Lotze W. Kritische Einschatzung und Beitrage zur Eintwicklung der pneumatischen Langenmesstechnik. Habilitation, TU Dresden, 1968.

36. Woschni E.-G. Messdynamik, Leipzig, S.Hirzel-Verlag, 1964.

37. Проектирование пневматических устройств для линейных измерений. БВ-ОРТМ-32-72. Руководящие материалы., М.: НИИМАШ, 1972.- 307 с.

38. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т.Т.1/Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова.- М.: Машиностроение, 1985.- 656 с.

39. Ланщиков А.В., Федин С.В. Диапазоны измерений для пневматических устройств настройки гайковертов//Материалы И-й Международной НТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств», Ч.1.-Пенза, ПГАСА, 2002, с.69-72.

40. Андронов И.В. Измерение расхода жидкостей и газов.- М.: Энергоиздат, 1981.- 88 с.

41. Кудрявцев А.И., Пятидверный А.П., Рагулин Е.А. Монтаж, наладка и эксплуатация пневматических приводов и устройств. М.: Машиностроение, 1980.-208 с.

42. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул: Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 1982.- 224 с.

43. Методика статистической обработки эмпирических данных (РТМ44-82),.: ВНИИМАШ, Госстандарт, 1968.- 100 с.

44. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий, М.: Наука, 1976.- 283 с.

45. Жабин А.И., Мартынов А.П. Сборка изделий в единичном и мелкосерийном производстве.- М.: Машиностроение, 1983. 184 с.

46. Справочник по средствам автоматики /Под ред.В.Э.Низэ и И.В.Антика.-М.: Энергоатомиздат, 1983.- 504 с.

47. Яхимович В.А., Головащенко В.Е., Кулинич И .Я. Автоматизация сборки резьбовых соединений. Львов: Вища школа, 1982.- 160 с.

48. Лебедовский М.С., Вейц В.Л., Федотов А.И. Научные основы автоматической сборки.- Л.: Машиностроение, 1985.- 316 с.

49. Катовник В.Я., Савченко А.И. Основы теории селективной сборки.- Л.: Политехника, 1991.- 303 с.

50. Дальский A.M., Кулешова З.Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1988.- 304 с.

51. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 832 с.

52. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин.Л.: Энергия, 1975. 576 с.

53. Семичевский Г.А., Березин С.Я. Технология сборки гладко-резьбовых соединений: Монография. Чита: ЗабГПУ им.Н.Чернышевского,1998. -100 с.

54. Система MAGS //Автомобильная промышленность США, 1981, № 9, с.19.

55. Ланщиков А.В. Обеспечение точности и стабильности затяжки при автоматической сборке резьбовых соединений //Автореферат дисс.канд.техн.наук, М.: МАМИ, 1985.- 20 с.

56. Белкин И.М.Средства линейно-угловых измерений.Справочник.- М.: Машиностроение,1987.- 368 с.

57. Покровский Б.С. Механосброчные работы и их контроль. М.: Высшая школа, 1989.- 271 с.

58. Контрольно-измерительные инструменты и приборы в машиностроении.Справочник // В.Г.Кострицкий, В.Г.Кострицкий, А.И.Кузьмин, К.: Техника,1986.- 135 с.

59. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С.Колесников, Г.Ф.Баландин, А.М.Дальский и др., Под общ.ред. К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1990.-256 с.