автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества сборки сложных единиц соединением элементов с натягом

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

РГб од

шк ;з£*: н ■

На правах рукопису

Куцин Андрій Миколайович

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ЗБИРАННЯ СКЛАДЕНИХ ОДИНИЦЬ ІЗ З’ЄДНАННЯМ ЕЛЕМЕНТІВ З НАТЯГОМ

Спеціальність 05. 02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

На правах рукопису Куцин Андрій Миколайович

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ЗБИРАННЯ СКЛАДЕНИХ ОДИНИЦЬ ІЗ З’ЄДНАННЯМ ЕЛЕМЕНТІВ З НАТЯГОМ

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Технологія машинобудування" Харківського інженерно-педагогічного інституту,

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Арпентьєв Борис Михайлович

Офіційні опоненти: академік інженерної академії України, професор , доктор технічних наук Тернюк Микола Емануїлович

кандидат технічних наук, доцент Сізий Юрій Анатольевич

Провідна організацій: Лозовський ковальсько-механічний завод

Захист відбудеться квітня 1994 р. о 14 годині на

засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 02. 09.01 у Харківському політехнічному інституті за адресою:

310002, м. Харків, 2, МСП, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського політехнічного інституту.

Автореферат розісланий " 1994 р. ч

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради ^ /Л УзунянМ. Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми дослідження.

Розвиток складального виробництва, яке має високу трудомісткість, можливий за рахунок прогресивних технологій. Важливе значення має удосконалення процесів складання складених збиральних одиниць із з’єднаннями з натягом , які використовують у відповідальних машинах різного призначення.

Раніше виконані дослідження міцності та довговічності з’єднань із натягом виявили ефективний засіб їх одержання - складання після термовпливу на деталі. Але вироблені на основі практичного досвіду і роздрібнених теоретичних досліджень методи і прийоми не дозволяють у повній мірі використати потенціал цієї технології. Виробничий досвід показує, що продуктивність при складанні складених збиральних одиниць із з’єднаннями з натягом низька, витрати енергії великі, а температурний режим не завжди відповідає вимогам якості виробу. .

Необхідно комплексне розглядання технологічних і конструктивних особливостей складених збиральних одиниць. Це дозволить проектувати продуктивні технологічні процеси, які забезпечують високу якість виробів.

Розв’язання задачі підвищення ефективності технологічних процесів складання має велике значення для машинобудівного виробництва і необхідність досліджень у цьому напрямку відображена у науково-технічних програмах Держкомітету по праці і техніці і Міністерства освіти України.

Мета роботи.

Підвищення якості та продуктивності збирання складених збиральних одиниць із з’єднаннями з натягом при використанні нагріву.

О&ьєкти досліджень.

Обьєкти досліджень - технологія збирання складених збиральних одиниць із з’єднаннями з натягом при використанні індукційного нагріву деталей. Метод досліджень - комплексний, розглядаючий конструкцію і технологію у взаємозв’язку.

У теоретичній частині роботи використовується аналіз, механіка, теорія імовірності, апалитична теорія теплопровідності і термопружності. Для трудомістких розрахунків створені програми для ЕОМ.

У експериментальних розділах обгрунтована організація досліджень і доведені результати лабораторних і практично-виробничих досліджень. Застосовувалось тензометрування, прилади і апаратура для регістрації переміщення, температур і електричних

З

параметрів. Для експериментів по нагріву розроблено оригінальний індуктор. Для одержання при обробці результатів вимірювання використовувалась вимірювально - обчислювальна система СІІТ - 3.

Наукова новизна дисертації.

Визначені критерії технологічності конструкцій складених збиральних одиниць, які мають з’єднання з натягом, для складання з використанням термовпливу й запропонована їх конструкторсько -технологічна класифікація.

Дано наукове обгрунтування запасу деталей при складанні багатоелементних складених збиральних одиниць методом групової взаємозаміни.

Визначені та описані закономірності теплових і деформаційних змін у деталях при формуванні з’єднань типу втулка - втулка і на їх основі одержані залежності для розрахунків режимів збирального процесу складених збиральних одиниць.

Автор захищає теоретичні і експериментальні розробки:

- методику проектування технологічних процесів складання складових збиральних одиниць із з’єднаннями з натягом при використанні термовпливу з розрахунком мінімально необхідного запасу деталей і часових режимів, що дозволяють одержати найбільшу продуктивність;

- методи розрахунку температур і деформації деталей при формуванні з’єднання з натягом типу втулка-втулка, що дозволяють одержати їх мінімальне значення, що забезпечує високу якість вироби;

- аналітичні співвідношення для розрахунку технологічних режимів складання з’єднань із натягом складеної збиральної одиниці масового виробництва - проміжної опори карданного валу трактора, забезпечуючих якість виробу.

Практична цінність роботи.

Розроблені інженерні методи розрахунку запасу деталей, циклів складання, часових та температурних режимів з’єднань із натягом у складених збиральних одиницях, які забезпечують найменші витрати теплової енергії, найвищу продуктивність і якість,дозволяють краще організувати роботу збиральника.

Запропоновано ефективне технологічне рішення складання і відповідно внесені конструктивні зміни у вироб масового виробництва- проміжну опору карданної передачі трактора.

Реалізація результатів роботи.

Введено розділ по проектуванню технології складених збиральних одиниць у програмно - методичний комплекс (ПМК ) автоматизованого проектування технології складання з’єднань із використанням нагріву.

Методика проектування технологічних процесів та технологія

* впроваджена для складання елементів ходової частини локомотивів і проміжної опори трактора.

Апробація роботи.

Дисертація і окремі її розділи доповідались і обговорювались на міжнародній ( Крим, 1993 р. ) і регіональних науково-технічних конференціях.

Робота обговорена та схвалена на семінарах кафедри технології машинобудування і металоріжучих верстатів Харківського політехнічного університете (1994 р.), кафедри технології машинобудування Київського технологічного інституту легкої промисловості (1993 р.), засіданні кафедри технології машинобудування Харківського інженерно-педогогічного інституту ( 1993,1994 р. р.).

Публікації.

Опубліковані 1 монографія і 6 статей та тезисів доповідей у трудах науково-технічних конференцій.

Структура І обсяг роботи.

Дисертація складається із вступу , чотирьох глав, закінчення, списку джерел інформації з 83 найменувань та додатків. Викладена на 126 сторінках машинописного тексту і вміщує ЗО рисунків і З таблиці.

Додаток включає документ, підтвержуючий виробниче використання результатів досліджень, схеми та вихідні графіки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Складені збиральні одиниці - багатоелементні вузли, в яких 3-4 деталі, установлені одна на одну (наприклад, колесні пари з обанда-женими колесами , зубчасті колеса з вінцем та втулкою). Звичайно, відповідальні вироби можуть включати і підшипники кочення (наприклад, опори валів ). Як правило, в них є деталі, з’єднані посадкою з натягом.

Технологія збирання з’єднань із натягом у цих вузлах рідко включає операції,які використовують термовплив на деталі (нагрів чи охолодження). Зв’язано це з тим, що прагнуть виключити довгі перерви в технологічному процесі із-за урівнення температур у з’єднанні.Бо кожна з охоплюючих деталей, скріплюючись із охоплюємою, міняє рівень її теплоутримання та, якщо втулок декілька, то кожна слідуюча повинна мати підвищену температуру, що компенсує прогрів попередньої. Крім

того, уникають дії на елементи збиральної одиниці термосилового поля, щоб гарантувати якість.

Це являється наслідком відсутності методик розрахунків режимів технологічних процесів, питань технологічності конструкцій з точки зору використання термодії та інженерних методів розрахунків температурних деформацій деталей. Труднощі викликає також дуже сильна взаємозалежність конструкції та технології. Разом із тим засіб складання з’єднань із натягом, при якому використовується нагрів чи охолодження, принципово збільшує міцність з’єднання у порівнянні з запресовкою і розширює можливості автоматизації завдяки переходу складання з області натягів в область зазорів.

В роботах Новікова М.П.,Федорова Б.Ф., Андрєєва Г.Я., Жабіна Л.І., Зенкіна А. С. приводяться відомості про технології з’єднань із використанням термовпливу на деталі, головним чином, двоелемен-тних з’єднань. Арпентьєв Б. М. розглянув з’єднання багатоелементних складених одиниць при установці на вал кількох нагрітих втулок. Технологія з’єднання складених одиниць при використанні термовпливу не розглядалась.

Таким чином необхідні, як теоретичні, так і експериментальні дослідження складання складених збиральних одиниць. До робот, які дозволяють створити наукову базу технології цього виду збиральних одиниць, відносяться також труди по теплопередачі та термопружності.

Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити слідуючі завдання:

-розробити рекомендації по створенню технологічних конструкцій складених збиральних одиниць із з’єднаннями із натягом, відповідає вимогам складання із нагрівом, та основні принципи побудови структур технологічних процесів складання;

- виявити взаємозв’язки між імовірністю складання і кількістю необхідних деталей при складанні методом групової взаємозаміни і одержані розрахункові залежності, що дозволяє визначити об’єм накопичувачів;

- дослідити теплові процеси, що відбуваються при локальному нагріву і формуванні з’єднань із натягом, що входять у складені збиральні одиниці і визначені режими, що забезпечують процес з’єднання при невеликих напруженнях та деформаціях у матеріалі деталей на прикладі проміжної опори карданної передачі трактора;

- вивчити закономірності термосилового поля у з’єднаннях із натягом типу втулка-втулка і запропоновані залежності для розрахунку температур і температурних деформацій деталей;

- виконати дослідно-виробничі розробки по створенню технології складання і устаткування для нагріву деталей з’єднання з натягом складеної збиральної одиниці типу проміжна опора карданної передачі трактора.

Часовий та температурний режими складання з’єднань із натягом при використанні термодії у складеній збиральній одиниці залежать від структури технологічного процесу (ТП):

1) на вал послідовно установлюються охоплюючі деталі ( центр, бандаж або вінець) ;

2) виконується складання двоелементних з’єднань (центр із вінцем ), а потім вони установлюються на вал. У другому варіанті може бути економія теплової енергії за рахунок повторного використання тепла бандажа : центр після складання з бандажем тільки догрівають, тому що він частково вже прогрітий. При цьому має значення і кількість нагрівальних чи охолоджуючих пристроїв.

Цикл складання складеної збиральної одиниці при використанні, наприклад, нагріву для кожного з’єднання і при використанні одного нагрівача та транспортного засібу дорівнює: Ту =2тт +2г тр + ТС/, де 51т т- сумарний час завантаження позиції; 2г тр - сумарний час транспортування деталей; X су - час з’єднання та скріплення останньої, І -ї деталі.

Якщо транспортних засобів два - для подачі деталей на нагрів та складання,то ху = Хх т + Ихтр +гс/. .

Якщо нагрів паралельний та нагрівачів стільки, скільки з’єднань, а транспортний засіб один, то

Ту = 5)Т;п/ “Ь 2)г щрі + [ X с] Тс(і — і) ]>ДЄ Хті,Хтрі -час найбільш тривалої операції нагріву і відповідноїїй транспортної операції.

При складанні двоелементних з’єднань методом групової взаємозаміни питання запасу деталей для розмірних груп не актуальні, бо в цілому це невелика кількість. Для багатоелементних з’єднань, якщо всі вони збираються методом групової взаємозаміни виникають труднощі з розміщенням запасу на складальній ділянці. Тому необхідно мати точний розрахунок дійсно можливої кількості деталей у групах для вибору відповідно мінімально необхідних кількостей.

Вирішуючи імовірностну задачу у предположенні розподілу посадкових розмірів деталей по закону Гауса, маємо закономірність для розрахунку кількості деталей даного виду для того, щоб складання пройшло з можливостю у :

де Р = 2 Р«(]) * Рвт(/) - можливість складання вузла з двох

деталей ( вала та втулки ). Рв(/) и Рвт(/) - можливості попадання розмірів вала і втулки у у -й інтервал разраховується з використанням інтегральної функції Лапласа.

Для складених з’єднаних одиниць необхідний запас розраховується, як сума запасів для кожної пари. Кількість залишившихся незібраними деталей для груп деталей у двоелементному з’єднанні:

Кількість незібраних деталей для складеного трислементного з’єднання (бандаж - центр - вал )

де індекси 1; 21; 23 і 3 - відносяться до валу, з’єднанню вал-центр, з’єднанню центр - бандаж і бандажу.

Аналіз конструкції складених з’єднаних одиниць на технологічність по тепловому критерію дозволив розділити їх на 3 групи в залежності від складності: 1) Одиниці, які не потребують обмеження по розміру та розподілу температур. Звичайно вони містять тільки посадки з натягом і деталі, які нагріті, мають плавні переходи між ступицями і дисками, що виключає виникнення високих температурних напружень і деформацій. 2) Одиниці, які потребують обмеження по температурі. 3) Одиниці, температурний і силовий вплив ( обжим ) яких на деталі обмежений. Ці деталі легко деформуються.

При скріпленні деталей, які зібрані після термовпливу, тимчасовий термічний з’єднаний зазір зменьшується до нуля і далі, ПРИ формуванні з’єднань, утворюється натяг N. Формування характеризується деформаціями деталей не тільки у результаті виміру їх температури , але і внаслідок постійного збільшуючого тиску р на контакті. Розглянута модель нестаціонарного теплового стану

/ = 1

пн = п - л§ тіп (Рі 1 »Рі21 •§ Р,- 23*Р/ 3 ),

7 = 1

зотропних у тепловому відношенні тіл із зосередженими масами вала і втулки ), зона контактування яких характеризується ко-фіцієнтом контактної теплопередачі ак, а поверхні - коефіцієнтом епловіддачі у середовищі, і вирішено систему диференціальних іівнянь. Маємо рівняння, які описують температурний градієнт і Т між деталями в кожну мить часу X:

ДГ = 7>е(в1 ~Ьх\

де Тн - початкова температура нагріву (охолодження) деталі, без емператури середовища; а\ і Ь\ - коефіцієнти , які ураховують юзміри деталей і теплофізичні властивості матеріалів.

З його допомогою визначаються також часові режими:

1 , Аг

(ЛІ ^і) * тн ’

Підставляючи значення градієнта температур між деталями у іить закінчення скріплення АГ:к, формування АТф і охолонення \То, можна визначити час скріплення ДГ:к, час формування АГр і час ^Го охолодження з’єднання: .

АГск =-т%—\&ГФ = (4...5)°С; АТо = (0.5...1 )вС,

а. рвт

де (1 -діаметр посадки, рвт- коефіцієнт лінійного розширення ма-еріала втулки.

Для деталей із однакового матеріала рівняння приймає вид :

_ С ії\в т вт . А Т

~ а/с Бк {твпМв) Тн ’

де с - теплоємність матеріалу; твт,тв - маси втулки і вала під осадковою поверхнею. площа контакту деталей.

Розмір деформацій зовнішньої поверхні охоплюємої втули і отвору охоплюємої (з’єднання типу бандаж-центр ) визна-ається, як різниця деформацій температурного поля і поля ружності.

ЛЯ=0 nvu-f и

Eem(D2- dl)[C\/Ee +C2/Eem]

a j _ ■ гm o Id lN-d(T2pem-TiPe)] ,

Ado = do ITifiem----“J,---2nN r,------^"1»

£e(rf2 - c$)[Ci/£e + Ст/Евт]

де Ті і Тг - поточні температури охоплюємо! і охоплючої втулки (без температури навколишнього середовища); /Зв- коефіцієнт лінійного розширення матеріалу охоплюємо!' втулки; Еа і Евт- модулі пружності матеріалів деталей; С\ і Сг - коефіцієнти жорсткості.

* Для з’днань із однакових матеріалів:

Ад=д [г2/і + 1;

Н (D2-d\Cl +С2)

(d2-do^Ci +С2)

Метою експериментальних досліджень теплових і деформаційних процесів при збиранні з’єднань є оцінка правомірності теоретичних положень і достовірність результатів, одержаних методом порівняння, а також дослідження напружено-деформованого стану матеріала деталей складених з’єднаних одиниць при формуванні.

Експерименти проводилися у лабораторних умовах і на промисловому підприємстві з використанням дослідно-промислових нагрівачів, потенціометрів і цифрового тензометричного моста СІІТ-3. Принцип формування з’єднань проводився на зразках із визначенням температур і деформацій від впливу термосилового поля. Комплексно досліджувались температурні поля і термічні напруження у деталях проміжної опори карданної передачі трактора Т -150.

Фізичну сторону процесів, які відбуваються при формуванні з’єднань, коли на охоплюєму деталь діє термосилове поле, ілюструє графік на рис. 1. Чим масивніше охоплююча деталь (більше В), тим вище найбільша температура охоплюємої Тшах, здобутою за рахунок теплопередачі, але вище і контактний тиск р. При великих £>

10

температура розширення посадкового отвіру <1о і тиск р ібільшуються, а результуюча деформація Д</0 зменьшується.

Дсіі.п

(ЦИ

ОД!

Рис. 1. Зміна деформації внутрішнього отвору з’єднання А(1о ,тем-іератури Т і тиску р при формуванні з’єднань.

Як було доведено раніше, N також впливає на деформації. Якщо [юрмування з’єднань із натягом складеної збиральної одиниці про-юдилося після локального нагріву деталі, поточні напруження, вникаючі в матеріалі, можуть перевищувати свої кінцеві значення. Тому дослідження, які відбуваються при з’єднанні складної зби-іальної одиниці - проміжної опори карданної передачі трактора Г-150 (рис. 2) - проводилися з розгляданням ії конструктивних особ-іивостей. Розрахунки на міцність дозволили визначити посадку (183 і9/Ш),яка дозволяє мати мінімально можливу температуру нагріву 310'С) посадкової поверхні (60 мм ). Останнє дає змоіу проводити юкальний нагрів труби опори з мінімальними енерговитратами. _

На рис.З - графік розподілу температур у трубі після її івидкісного нагріву за 35 с в індукційному обладнанні соленоїдного ипу, працюючого на тоці промислової частоти при формуванні ’єднань. Температурне поле дозволило зробити розрахунок напру-

жень, деформацій та переміщень у матеріалі труби і корпуса методом кінцевих елементів.

Рис. 2. Проміжна опора трактора. 1 - труба; 2 - корпус.

Рис. 3. Розподіл температур у трубі та корпусі після нагріву і формування з’єднань.

Розрахунок виконувався по 581 елементу у трубі та в корпусі з 74 вузлами. Радіальні (ре), осьові (Оі) та окружні (оь) напружен-я у трубі та корпусі при складанні з параметрами Т - 310'С, N -,27 мм і <1 ” 483 мм знаходилися у доступних межах. Після повного холодження через 8 годин напруження з’єднання змінили розмір, деякі - і знак. Це у подальшому підтвердили експерименти по емпературним деформаціям корпуса та труби. Експериментальні осліди підтвердили також доступність початкових і граничних узлів у тепловій моделі формування з’єднань в складеній зби-альній одиниці і раціональність проектування ТП з термовпливом ри запропонованих конструктивних змінах та режимах складання.

Рис. 4. Радіальні переміщення у трубі та корпусі від посадки.

Переміщення посадкових поверхонь корпуса під підшипники під іпливом термосилового поля не перевищували доступних - 0,05 мм (а передній (0,02 мм) і в задній ( - 0,04 мм) гранях гнізда іідшипника. Прогрів підшипників при з’єднанні не перевищував І0*С.

Результати випробування тракторів із проміжними опорами підтвердили ефективність проведеного дослідженя. Підвищення якості складання дозволило забезпечити довговічність роботи проміжних опор майже у 10 разів, а економічні показники при використанні нової технології складання з термовпливом кращі. По запресованої удосконаленої опорі ефект складає 522 крб. ( у цінах 1992 року) на одну проміжну опору, порівняно із базовою конструкцією і технологією.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Всебічні дослідження технологічних і технічних закономірностей дозволили автору вирішити наукову задачу підвищення якості процесів збирання складених збиральних одиниць з’єднаних з натягом, з використанням термовпливу на деталі. Рішення має велике значення для складального виробництва у важкому, сільскогосподарському і транспортному машинобудуванні.

Підводячі підсумок проведеної роботи , можна зробити слідуючі основні висновки:

1. Аналіз структури технологічних процесів, використовуючих термовплив, і можливих закономірностей накопичення деталей дозволив одержати залежності для розрахунку найменьших циклів з’єднань і запасу деталей, необхідних груп при з’єднанні методом ірупової взаємозаміни. Доказано слідуюче наукове положення: має

' місто мінімально необхідна кількість деталей, забезпечуючих безперервний процес з’єднання, яка залежить від груп і заданої можливості з’єднань.

2. Запропонована модель взаємодії деталей в процесі формування з’єднання з натягом дозволила розробити метод розрахунку температурних і часових режимів збирання складених збиральних одиниць. Доказані слідуючі наукові положення: тривалість скріплення і формування змінюється по експоненціальним залежностям і тим більше по значності, чим більше термічний з’єднаний зазір і більше діаметр з’єднання; деформація деталі від дії термосилового поля в процесі формування з’єднання має екстремум.

3. Теоретичні узагальнення зроблених досліджень дозволили зробити і передати у виробництво на підприємство технологію складання і дослідно - промислове обладнання для індукційного нагріву труби промопори трактора і з’єднання ії з корпусом, які підвищили якість складених одиниць.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кушаков В. И., Куцын А. Н. Универсальное ориентирующее стройство сборочных станков - автоматов. / / Тезисы доклада конвенции ” СТАНКИ - 91 ’’ К.: РДЭНТП, 1991. - С. 68.

2. Зенкин А.С., Куцын А.Н. Структурный анализ и синтез авто-гатического оборудования. / / Тезисы доклада 44 научной конференции КТИЛП , К.: КТИЛП. 1992. - С. 165.

3. Андреев А.Г., Куцын А.Н., Щепкин А.В. К вопросу совершен-твования конструкции промежуточной опоры карданного вала рактора Т-150. / / Динамика и прочность машин. К.: Вища школа. 993. №54/93-С. 148-165.

4. Кушаков В.И., Куцын А.Н. Повышение качества цилиндриче-ких деталей машин. / / Тезисы доклада конференции " Повышение ффективносги и качества механообрабатывающего производства" ,К. "Знание", 1993.-С. 76-77.

5. Куцын А. Н. Технологическое обеспечение надежности пром->поры карданной передачи трактора . / Proseedings second nternational conference ” New leading - edge technologies in machine tuilding " , Kharkov - Rybachie, 1993. - S. 289 - 292.

6. Кушаков В. И., Кравцов М. К., Куцын А. Н. Повышение проч-гости соединений вал - зубчатое колесо на основе деформированного упрочнения. / / Тезисы доклада конференции "Проблемы зубчатых гередач и редукторостроения" , Харьков : УкрНИИМет , 1993. -

:. 88.

7. Арпентьев Б.М. , Зенкин B.C. ,Куцын А.Н. Механизация и [втоматизация сборки на машиностроительных предприятиях. К. : Техника, 1994. - 272 с.