автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества изготовления направляющих элементов металлорежущих станков с использованием полимера

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Выбор и обоснование объекта исследования. Ц

1.2. Общая характеристика интенсивных методов изготовления направляющих станков.

1.2.1. Изготовление соединений методом оптимизированного подбора деталей в сборочные комплекты на ЭВМ.

1.2.2. Изготовление соединений методом совместной обработки.

V 1.2.3. Изготовление соединений с применением полимерных материалов.

Выводы.

1.3. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ СТАНКОВ С НАПРАВЛЯЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ ПОЛИМЕРА

2.1. Анализ факторов, влияющих на точность изготовления металлополимерных станочных конструкций.

1 2.2. Анализ способов моделирования напряженно-деформированного состояния металлополимерных конструкций и пути их совершенствования.

2.3. Конечно-элементный анализ влияния технологических факторов на качество изготовления металлополимерных направляющих станков.

V 2.4. Особенности расчета напряженно-деформированного состояния базовых деталей станков с направляющими скольжения из полимера

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА УМЕНЬШЕНИЯ

ТРУДОЕМКОСТИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СТАНКОВ

3.1. Разработка способа уменьшения трудоемкости изготовления металлополимерных конструкций.

3.2. Обоснование и выбор формы нагревательного элемента и режимов отверждения.

3.3. Исследование величины деформации полимерного слоя в зависимости от толщины и величины удельных нагрузок.

3.4. Исследование отклонения формы поверхности направляющих на примере объемной модели каретки станка.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ НАПРАВЛЯЮЩИХ ИЗ ПОЛИМЕРА В УСЛОВИЯХ

ПРОИЗВОДСТВА

4.1. Исследование отклонения формы каретки и суппорта токарного станка.

4.2. Исследование жесткости элементов технологической

I системы танка.

4.3. Исследование точности и шероховатости поверхности валов, обработанных на станках с чугунными и полимерными направляющими

4.4. Исследование вибрационных характеристик токарных станков, изготовленных с чугунными и полимерными направляющими.

Выводы.

ГЛАВА 5. НАЗНАЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЕРАЦИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАНКОВ

ИЗ ПОЛИМЕРА

5.1. Обоснование выбора условий изготовления направляющих с полимерной прослойкой.

5.2. Особенности проектирования операции изготовления полимерных направляющих. 17т j/ 5.3. Технико-экономическая эффективность внедрения технологических рекомендаций.

Увеличение выпуска машиностроительной продукции предполагает её успешный, всё возрастающий сбыт. Однако, это возможно лишь при производстве конкурентоспособной, ремонтопригодной продукции высокого качества.

Для станкостроения, выпускающего средства производства, характерно наличие специфичных сборочных операций и долговременной микрометрической точности отдельных соединений и узлов. С этой целью предусматривается повысить точность обработки деталей и сборки изделий за счет совершенствования технологии их изготовления, позволяющей уменьшить долю ручного труда на сборочных и монтажных работах.

Проблема повышения точности обработки тесно связана с точностью станков, на которых производится их изготовление, вместе с тем с повышением точности станков возрастает трудоемкость их изготовления и особенно трудоемкость слесарно-сборочных и пригоночных работ. Так, по данным института Оргстанкинпром удельный вес трудоемкости пригоночных работ на предприятиях Минстанкопрома в 1988 году в среднем составил 24% от общей трудоемкости сборки станков против 21% в 1980 году (рис.1,а ).

При этом большое значение имеет усовершенствование технологии трудоемких и малопроизводительных методов обработки, например, шабрения. Особенно велик объем шабровочных работ при сборке базовых деталей металлорежущих станков с направляющими скольжения (станин-кареток, станин-столов и т.д.), трудоемкость которых составляет свыше 68% от общей трудоемкости пригоночно-доделочных методов обработки (рис. 1,6).

Особенность сборки базовых деталей станков с направляющими ч>* §«

S 10 о as 5

1980 г

ZVI.

1 О ф © S) i ©

Coc m a 6 a)

SO'

25

-О го

Е о о 15

X

Qj ю

О о 5 0

CD гчъ 1988

1

Р

У (Ъ) 0 © операции шаоренце^ пригоночно доделочные з о, ^методы о5ро>1 It t 47, Хйоткц,

Рис.1. Диаграмма общей трудоемкости : а) сборки станков - 1-общая ; 2-узловая сборка; 3-пригоночно - доделочные работы; 4-электромонтаж; 5-комплектация; б) пригоночно - доделочных работ. заключается в необходимости их сопряжения одновременно по нескольким плоским поверхностям. Обеспечение взаимозаменяемости за счет повышения точности изготовления деталей требует назначения жестких допусков, порой трудно выполнимых в процессе механической обработки.

Использование метода групповой взаимозаменяемости здесь также невозможно, поскольку вероятность совпадения различных групп соответственно в каждом из сопрягаемых размеров ничтожно мала. Использование метода регулировки в силу целого ряда причин организационных и технологических не всегда эффективно. Следовательно, единственным экономически обоснованным методом достижения точности изготовления и сборки направляющих является их пригонка.

Все это и определило цель задачи данной работы, направленной на совершенствование технологии изготовления базовых деталей станков.

Основными причинами для решения рассматриваемых ниже задач являются: 1 Необходимость уменьшения трудоемкости изготовления (снижение длительности производственного цикла) базовых деталей металлорежущих станков с направляющими элементами; 2)необходимость повышения точности изготовления, в особенности точности формы и взаимного расположения сопрягаемых поверхностей. Эти вопросы рассматривались и ранее. Однако для изготовления базовых деталей станков с направляющими элементами из полимера, комплексное их решение отсутствует, не разработаны и научно обоснованные методики назначения эффективных условий изготовления, обеспечивающие высокую точность и производительность их изготовления.

Цель настоящей работы заключается в разработке и исследовании технологических способов обеспечения качества и снижения трудоемкости изготовления направляющих элементов станков из полимера путем назначения эффективных условий их изготовления (способа нанесения полимера, режима отверждения, толщины полимерной прослойки, материала базовой детали и полимерной прослойки обработки).

В работе проведено комплексное исследование технологических закономерностей формирования отклонений формы и взаимного расположения направляющих поверхностей базовых деталей станков, изготовленных из полимера. Полученные зависимости устанавливают связь между указанными геометрическими отклонениями и условиями изготовления: конструктивными особенностями базовых деталей станков с направляющими элементами, толщиной полимерного слоя, режимами и способами изготовления. Математические модели процесса, отражающие физические закономерности формирования погрешностей изготовления направляющих с использованием полимерного материала, позволяют осуществить управление процессом, для достижения заданных требований по точности и снижению трудоемкости их изготовления, разработать на этой базе соответствующие технологические способы и рекомендации.

С точки зрения снижения трудоемкости изготовления в работе проанализированы возможности сокращения: 1)основного времени путем исключения из технологического процесса получистовых, чистовых и отделочных операций; 2)времени отверждения полимерного слоя путем выбора эффективных условий изготовления» Разработана инженерная методика и технологические рекомендации для этапа проектирования операции изготовления направляющих элементов станков из полимера. Созданные математические модели и методика могут быть использованы в качестве блоков автоматизированной системы технологической подготовки производства станкостроительных предприятий.

Научная новизна работы заключается в установлении аналитических зависимостей между технологическими параметрами и геометрическими отклонениями формы и расположения направляющих поверхностей базовых деталей металлорежущих станков, выполненных из полимера На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлены доминирующие технологические факторы (толщина полимерной прослойки; температуры и способы отверждения и т.п.), влияющие на образование указанных погрешностей. Показана необходимость и возможность управления процессом формирования погрешностей за счет назначения рационального способа нанесения и отверждения полимерного материала.

Разработана методика определения эффективных условий изготовления базовых деталей станков с направляющими элементами из полимера на основе полученных математических моделей процесса, отражающих физические закономерности формирования погрешностей изготовления направляющих с использованием полимерного материала.

Анализ полученных закономерностей позволил разработать технологические мероприятия, обеспечивающие высокое качество изготовления базовых деталей металлорежущих станков.

На защиту выносятся новые научные положения, способы и рекомендации, при применении которых достигается технологическое обеспечение качества изготовляемых направляющих, учитывающих минимизацию погрешностей формы и трудоемкости их изготовления, разработанная методика обеспечивает эффективные условия, а также высокое качество операции изготовления направляющих.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" МГТУ им. Н.Э.Баумана. Основное содержание диссертации изложено в опубликованных статьях, результаты работы внедрены на Новокраматорском машиностроительном заводе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании теоретических и экспериментальных исследований операции изготовления металлополимерной конструкции станка выявлены физические закономерности формообразования поверхности направляющих, позволяющие разработать способы и рекомендации по управлению процессом с целью достижения высокой точности и низкой трудоёмкости изготовления.

2. Установлено, что из-за усадки полимерного слоя в МПК возникает напряженно-деформированное состояние, вследствие чего в продольном сечении направляющих появляется отклонение формы в виде вогнутости, величина которого не превышает допустимого значения заданного в технических требованиях.

3. При проектировании металлополимерных конструкций станков с минимальными величинами деформаций и остаточных напряжений особое внимание следует уделять таким конструктивно-технологическим факторам, как величина усадки, толщина слоя полимера, способ изготовления конструкции и условия отверждения ^

4. Для сокращения времени отвердения полимера в 3-8 раз рекомендуется использовать разработанный способ с нагревом полимера изнутри.

5. Алгоритмы и программы расчёта перемещений и напряжений конструкции рекомендуется применять в качестве блоков АСТПП

188 станкостроительных предприятий. Это позволяет улучшить качество принимаемых решений при проектировании технологических процессов изготовления направляющих из полимера.

6. Закономерности формообразования поверхности направляющих из полимера, полученные при исследовании различных технологических способов их изготовления, позволили разработать инженерную методику назначения рациональных по точности и трудоёмкости условий выполнения технологических операций.

7. Для изготовления направляющих в деталях типа каретка и суппорт рекомендуется использовать нагревательные элементы "зигзагообразной" и "подковообразной" формы. С точки зрения минимума затрат времени на изготовление, а также соответствия норм охраны труда наилучшим следует считать режим нагрева U = 36 В, I = 1 А.

8. Внедрение результатов исследований при изготовлении направляющих токарно - карусельных станков позволило снизить длительность производственного цикла на 75%, обеспечить экономическую эффективность разработанного способа отверждения полимера в условиях серийного производства в размере 46 380 рублей в ценах 1987 г

1. Корсаков B.C. Основные направления развития технологии, повышения точности и производительности обработки на станках с ЧПУ // Труды МВТУ, 1982. - № 376. - С.3-20.

2. Поляков Д.И., Костин А.И. Развитие автоматизации в станкостроении. М.: Машиностроение, 1983. - 335 с.

3. Корсаков B.C., Зацепина Т.А., Есенбаев М.Т. и др. Пути повышения эффективности сборочных работ : Обзор НИИМаш. М.,1981. 56 с.

4. Рыжов Э.В., Суслов А.Г. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979.-176 с.

5. Пекелис Т.Д., Гельдберг Б.Т. Технология ремонта металлорежущих станков. Д.: Машиностроение, 1984. - 240 с.

6. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов. -М.: Машиностроение, 1980. 592 с.

7. Трение, изнашивание и смазка: Справочник / Под ред. Н.В.Крагельского и В.В.Алисина. М.: Машиностроение, 1977. - 358 с.

8. Терпи М. Технология металлизации направляющих поверхностей металлорежущих станков:Пер. с чешек./ ВЦП,- 1973. -№ Ц -12775.-16с.

9. Агафонов Ю.А. Влияние геометрических погрешностей направляющих на равномерность движения столов тяжелых продольно-фрезерных станков // Станки и инструмент. 1979. - № II. -С. 17-19.

10. Теннер О.Г. Влияние погрешностей изготовления направляющих скольжения на контактную жесткость // Станки и инструмент. -1968. -№ 3. С.1-4.

11. Воскресенский Е.А., Симонов А.С. К вопросу о статическом моделировании сборочных процессов с помощью ЭВМ // Исследование в области механической обработки и сборки машин. 1978. - С. 110-119.

12. Коганов И.А. Оптимизация подбора деталей сопрягаемых при сборке по большому количеству поверхностей // Прогрессивная технология машиностроения: Исследования в области технологии машиностроения и режущего инструмента. (Тула). 1968.-Вып.З.- С.4-7.

13. Хельмке В. Обработка направляющих // Станки и инструмент. -1969. -№ 9. С.36-37.

14. Опитц X. Обработка направляющих поверхностей скольжения: Пер. с нем./ВЦП. 1967. -№А- 1101.- 17 с.

15. Сергеев М.А. Повышение производительности труда при слесарных исборочных работах. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машгиз,1963.- 295 с.

16. Якобсон М.С. Технология станкостроения. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1966. - 475 с.

17. Бабушкин А.З., Новиков Б.Ю., Схиртладзе А.Г. Технология изготовления металлообрабатывающих станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1982. - 272 с.

18. Эльбор в машиностроении / Под ред. В.С.Лысанова. JL: Машиностроение, 1978. - 280 с.

19. Накладные направляющие из наполненного фторопласта в металлорежущих станках: Рекомендации по применению встанкостроении / Лапидус А.С., Майорова З.А., Ниберг А.Н. и др. -- М.: ЭНИМС, 1981.- 39 с.

20. Долгов К.П., Варламов М.К. Применение наполненных фторопластов для накладных направляющих станков / Науч.-технич. реферативный сборник: Технология производства, научная организация труда и управления. М.: НИИмаш, 1975. - Вып.12. - 146 с.

21. Применение полимерных материалов для направляющих металлорежущих станков: Метод, рекомендации / Под ред. А.С.Лапидуса и П.Ж.Дюшена. М.: НИИ информации по машиностроению, 1933. -76 с.

22. Выбор конструкционных материалов для направляющих скольжения станков: Руководящие материалы / Под ред. А.С.Лапидуса, Б.И. Чижова, В .Р. Александера. 2-е изд. - ЭНИМС, 1970. - 67 с.

23. Федоров Е.Ф., Кривоног И.И. Оптимизация подбора деталей сопрягаемых при сборке по нескольким параметрам // Развитие автоматизированных систем управления в угольном машиностроении. -М.: ВНИИуглемаш, 1979. Вып.32. - С.41-42.

24. Рабинович Л.А., Кесоян Н.Г. Исследование рациональной точности сортировки при селективной сборке прецизионных узлов // Вестник машиностроения. 1980. - № 10. - С.54-57.

25. Рекомендации по конструированию и применению в станкахнаправляющих скольжения полимерных материалов на базе эпоксидных смол: Пер. с нем. /ВЦП. 1982. - № Г-66575. - 113 с.

26. Гитис Н.В. Полимерные направляющие металлорежущих станков // Технология, оборудование и экономика машиностроительного производства. Сер. 6. Прогрессивные технологические процессы вмашиностроении. М.: ВНИИТЗМР, 1987. - 48 с.в

27. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов / Под ред. В.С.Корсакова. 3-е изд., доп. и перераб. - М.: Машиностроение, 1977. -416 с.

28. Новиков М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов. -2-е изд., испр. М.: Машиностроение, 198С. - 592 с.

29. Сборка и монтаж изделий в машиностроении: Справочник. Сборка изделий в машиностроении / Под ред. В.С.Корсакова, В.К. Ёамятина. -М.: Машиностроение, 1983. - 480 с.

30. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969. -552 с.i/il. Замятин В.К. Сборка подвижных соединений. М.: Машиностроение, 1980.- 84 с.

31. Комаров В.П< Способы соединений деталей из пластмасс. М.: Химия, 1979.-286 с.1. 39. Ковер К.О. Технические пластмассы. М.: Химия, 1983. - 47 с.

32. Зланец JI.M. Исследование физико-механических свойств пластмасс. -М. Знание, 1979.-219 с.

33. Назаров Г.Н. Конструкционные пластмассы: Справочник. -М.: Машиностроение, 1980. 208 с.

34. Сорокин В.Г. Новые эпоксидные смолы. М.: Химия, 1980. -73 с.

35. Чернин И.З. Эпоксидные полимеры и композиции. М.: Химия, 1982.374 с.

36. Пер. с нем. / ВЦП. 1977. - 16 с. ^47. Рекомендации по конструированию и применению в станках направляющих скольжения на базе эпоксидных смол: Пер. с нем / ВЦП1984.-№ Г- 66575. 113 с.

37. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, 1986. 336 с.

38. Рыжов З.В. Технологические методы повышения износостойкости // Трение и износ. 1980. - № 1. - С.137-142.

39. Соколовский А.П. Жёсткость в технологии машиностроения. -М.: Машгиз, 1946. 416 с.

40. Маталин А.А. Технология машиностроения. Л.: Машиностроение, 1985. - 511 с.

41. Металлорежущие станки / Под ред. В.З.Пуша. М.: Машиностроение,1985.-256 с.5Ъ. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971.-263 с.

42. Крагельский И.В. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. -М.: Машиностроение, 1978. 400 с.

43. Кардамонов А.Ф. Трение и износ в машинах. Челябинск, 1979. -210 с.

44. Проников А.С. Износ и долговечность станков. М.: Машгиз, 1957.275с.

45. Мельников Т.Н. Исследование работоспособности металлопластмассовой технологической оснастки: Дисс. . канд. техн. наук: 05.02.08 / МВТУ.-М., 1970.-280 с.

46. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. -195 с.

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

48. Биргер И.А. Круглые пластинки и оболочки вращения. М.: Оборонгиз, 1961.-12 с.

49. Григолюк Э.И. Уравнения ассиметричной деформации биметаллическихупругих оболочек: Инж. сб. - 1954. - 37 с.

50. Гуль В.Е., Нуйезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1966. - 312 с.

51. Джафарова Ш.И. Применение антифрикционных полимерныхматериалов при сборке базовых деталей металлорежущих станков, -Баку: Знание, 1987. С.8.

52. Теребушко О.И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Наука, 1984. - 320 с.

53. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1984,-428 с.

54. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.-541 с.implicit rea 1*8(a«h,0»z) common /Junk/ hedmo> . Guku26>ttturiu; j чишчго'