автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение точности многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением

На правах рукописи

Григоров Игорь Владимирович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ МНОГОЗВЕННЫХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПЕРЕМЕННЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ш ш

Орел-2012

005017498

005017498

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Ямников Александр Сергеевич Харламов Геннадий Андреевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК»

Прокофьев Александр Николаевич доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «БГТУ», г. Брянск

ОАО «Тульский завод точного машиностроения»

Защита диссертации состоится «23» мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.06 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК».

Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь — Василенко Юрий Валерьевич

диссертационного совета //'

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации

Трудоемкость узловой и общей сборки составляет в среднем около 30 % всей трудоемкости изготовления машин. В массовом и крупносерийном производстве эта доля меньше, а в единичном и мелкосерийном, где выполняется большой объем пригоночных работ, трудоемкость сборки достигает нередко 45...50 %. Высока себестоимость сборочных работ, что обусловлено преобладанием на сборке преимущественно ручного труда и использованием рабочей силы повышенной квалификации. Последнее характерно и для сборки автоматических машин, где, несмотря на подчас массовый характер производства, широко применяется ручная пригонка ответственных соединений.

При слесарной пригонке рабочий собирает узел, предварительно нанеся слой копоти регламентированной толщины на одну из прилегающих при сборке поверхностей. Затем поверхности в подсобранном механизме приводятся в соприкосновение с помощью штатной пружины механизма. По площади пятна контакта рабочий делает заключение о годности сборки.

Если площадь контакта не достигает необходимой величины или если заданное выступание плеча рычага не соответствует допуску, то рабочий разбирает узел и снимает компенсационный припуск, специально оставленный на звене-компенсаторе. Эти приемы могут повторяться от 3-х до 7 раз в зависимости от точности изготовления составляющих звеньев размерной цепи и квалификации рабочего.

Механизация съема припуска возможна, если на станочной позиции будет создана имитация собираемого механизма (технологическая модель). Однако для успешного достижения точности при сборке необходимо обеспечение тождественности размеров звеньев механизма и технологической модели. Наличие разброса размеров деталей механизма и станочной модели приводит к нарушению этого требования. Следовательно, требуется сопоставительный анализ размерных связей собираемого механизма и его технологической модели и разработка теоретического обоснования разрешения этих противоречий.

Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность выходных параметров узлов автоматических машин и снижающих трудоемкость их изготовления, является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Регистрационный номер: 7.1439.2011 19.59.2011)

Объектом исследования является технологический процесс пригонки сопрягаемых поверхностей деталей автоматики высокотемпных изделий.

Предметом исследования является установление и исследование внешних и внутренних размерных связей узлов при сборке рычажных механизмов и закономерностей технологического процесса их механизированной пригонки.

Целью настоящей работы является выявление закономерностей размерных связей, проявляющихся при сборке узлов рычажных механизмов, точность прилегания контактирующих поверхностей которых нормирована по пятну контакта, обоснование и разработка специальных приспособлений и

приемов станочной обработки, позволяющих, в совокупности, исключить необходимость привлечения рабочей силы высокой квалификации для ручной пригонки.

Для достижения названной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Анализ специфичных особенностей решения размерных цепей многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки, а также составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.

3. Обоснование рациональных приемов достижения точности замыкающих звеньев рычажных механизмов с переменным передаточным отношением и компоновки устройств для механизации пригоночных работ.

4. Обоснование размерно-точностных параметров станочной позиции для механизированной пригонки звена - компенсатора многозвенного рычажного механизма с переменным передаточным отношением.

5. Реализация обоснованных схемных решения в виде конкретных конструкций технологической оснастки, а также технологических приемов для механизированной пригонки типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории размерных связей, общей технологии машиностроения, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

1. Теоретическое обоснование неизбежности пригоночных работ при сборке рычажных механизмов с точностью, нормируемой по пятну контакта, в случае, когда деталь-компенсатор одновременно входит в 2 связанные размерные цепи.

2. Результаты экспериментального определения влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки, а также экспериментального определения составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.

3. Положение о том, что механизация пригоночных работ рассматриваемых механизмов в принципе возможна, если при доработке детали-компенсатора использовать ту же схему базирования, что и в рабочем механизме.

4. Технологическую модель собираемого механизма, имитирующего взаимодействие деталей во время съема компенсационного припуска.

5. Математическую модель станочной позиции, связывающую фактические значения размеров и положения звена - компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом).

6. Алгоритм и программу для интерактивного определения взаимного влияния размеров звена - компенсатора и станочной позиции на замыкающий размер, а также допустимых отклонений составляющих звеньев размерной цепи.

7. Результаты моделирования, показывающие, что в рассматриваемом примере нельзя использовать приспособление с жестко заданными размерами, а нужно вводить размерную регулировку по составляющему звену с наибольшим передаточным отношением.

8. Методику линеаризации передаточных отношений составляющих звеньев размерной цепи, оценки погрешности линеаризации и уменьшения погрешности до доверительного уровня.

9. Конструкторско - технологические разработки, реализующие теоретически обоснованные схемные решения.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что:

- разработана математическая модель станочной позиции, связывающая фактические значения размеров и положения звена - компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом),

- разработана методология решения размерных цепей типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением, реализованная в виде алгоритма и программного обеспечения.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

- создана возможность для анализа влияния размеров механизма и станочной позиции для механизированной пригонки на замыкающие размеры механизма, а также принятия решения о допустимых значениях погрешностей звеньев или обоснования перехода к механизированной пригонке,

- предложены конструкции технологической оснастки и приемы механизированной пригонки звена - компенсатора типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением, что позволяет избавиться от ручного труда высококвалифицированных рабочих и обеспечить стабильность времени пригонки.

Реализация работы. Результаты работы внедрены на ОАО «ТОЗ» и ОАО АК Туламашзавод. Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификаци-

онных работ, магистерских диссертаций по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Эти работы дополняют разделы «Точность обработки» и «Сборка машин» специальной части курса «Технология машиностроения» и курса «Проектирование станочных приспособлений».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (Россия, Тамбов, 29 ноября 2011 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях сотрудников ТулГУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации,- 8; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов - 1; из них статей без соавторства - 2.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 113 наименований, 2 приложений на 4 стр. и включает 149 с. основного печатного текста, содержащего 49 ил., 9 табл. Общий объем 166 с.

Основное содержание диссертации

В первой главе анализируется состояние вопроса, пути сокращения трудоемкости пригоночных работ в производстве автоматических машин. Наличие пригоночных работ повышает трудоемкость сборочных работ и является основной причиной, препятствующей использованию принципов взаимозаменяемости. Наиболее эффективным направлением повышения производительности сборки автоматических машин является замена пригоночных работ финишными методами обработки деталей на металлорежущих станках. В разделе рассмотрены возможности замены ручных пригоночных работ станочной обработкой при сборке некоторых типовых для автоматических машин объектов. Задача снижения трудоемкости сборочных работ является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач технологии машиностроения. Решению этой задачи посвятили свои труды видные советские и российские ученые: Балакшин Б.С., Васильев A.C., Коганов И.А., Колесов И.М., Корсаков B.C., Маликов A.A., Новиков М.П., Суслов А.Г., Ямников A.C.

В качестве примера в диссертации приводится анализ технологии изготовления конкретного механизма (рис. 1). Конструктивной особенностью автоматических машин является наличие в них сборочных единиц с несколькими (не менее двух) выходными параметрами. Одним из параметров являются, как правило, нормированные по площади контактные сопряжения взаимодействующих деталей, показанные, например, на рис.1. Изменение в таких сопряжениях фактической величины одного из параметров влечёт соответствующее изменение величины других выходных параметров. Подобная зависимость может оказаться очень "чувствительной". Только при одном положении правого плеча рычага из бесконечного множества возможных в пределах допуска на это положение, его левое плечо может иметь нормированный контакт с базовой деталью.

Рис. 1. Типовая конструкция рычажного механизма

Для идеальных форм соприкасающихся поверхностей контакт может быть только или полным или точечным. В рассматриваемом примере (рис. 1.) контактное сближение в силу "взаимной чувствительности" выходных параметров может сделать сборочное соединение функционально непригодным. В конце главы делаются выводы, формулируется цель работы и задачи исследования.

Во второй главе анализируются условия базирования рычага и его размерные связи в механизме.

На рис. 2 размерная цепь рычага включает в себя следующие звенья: А\ - расстояние от точки Д правого плеча рычага до центра О пальца, А2 - диаметр пальца в механизме, Аъ - диаметр отверстия под палец в шептале, АЛ - расстояние от ближайшей точки И, принадлежащей плоскости Л, до центра пальца О, измеренное параллельно плоскости Л, А5 - расстояние от плоскости Л до центра пальца О, измеренное по нормали к плоскости Л, А6 - расстояние от ближайшей точки И, принадлежащей плоскости Л, до центра пальца О, Ах - ордината точки Д относительно точки О, А& - выступание точки Д относительно измерительной базы Г, измеренное по нормали к последней.

Звенья размерной цепи, определяющей возможное раскрытие стыка обозначены буквами Г,: Г\=БА - погрешность вертикального положения центра отверстия под палец в крышке, Г2 = Б4 - горизонтальная координата центра пальца относительно поверхности Э, являющейся вспомогательной базой, Г-з -

расстояние от плоскости М до центра пальца О, Г4 - расстояние от точки Ж контакта плоскостей Ми Л, измеренное параллельно плоскости М (рис. 3), Г\ -расстояние от точки И контакта плоскостей М и Л, измеренное параллельно плоскости М (ряс. 3), Г5 - Радиальное смещение центра отверстия в шептале относительно оси пальца, Г(, - ширина поверхности Л (гипотетической поверхности контакта плоскостей Ми Л), у2 (рис. 3) - возможные значения углов раскрытия стыка.

Величина раскрытия стыка определяется зависимостью ГА = Гб. А угол раскрытия стыка у 2 рассматриваемого (рис. 3) положения определяется с помощью уравнения

^-нГзсозуг-Двтуг =0. (1)

Сводя рассчитанные допуски, получаем таблицу результатов размерного анализа, выполненного с учетом нормированного по копоти контакта (табл. 1).

Таблица 1

Результаты размерного анализа рычажного механизма, выполненного с учетом нормированного по копоти контакта

Обозначение размеров Допуски, рассчитанные из условий полной взаимозаменяемости, мм Допуски, принятые в производстве, мм

Бх 0,02 0,24

б2 0,033 0,2

Бъ 0,02 0,1

к6 0,023 0,2

Кп 0,02 0,1

То есть для обеспечения требований по точности сборки необходимо в 5... 10 раз ужесточить допуски на составляющие размеры.

Экспериментальное определение составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей, показало, что она равна ТААф = Лй/(д , - АнА = 0,006мм, что составляет всего око-

ло 1,5% от величины предписанного техническими условиями допуска на размер А&.

Составляющая допуска замыкающего звена ТА^К, учитывающая контактные деформации под действием регламентированной статической нагрузки определяется, уравнением:

ТААк = {^АвА5М + ^АвЛ2;3к Ь 1УДнЛ5/ж + %Л„Л2;3к ) (2)

где Е,[, - передаточные отношения, связывающие величину контакт-

ных деформаций, соответственно в стыках плоских и цилиндрических поверхностей с погрешностью положения контрольной точки Д рычага; , А^

- предельные величины контактной деформации в стыках плоских и цилиндрических поверхностей.

Составляющая ТА^ находилась по результатам статистической обработки результатов измерений. Установлено, что она зависит от метода обработки сопрягаемых поверхностей. Проведенный размерный анализ показал, что полный контакт поверхностей будет показан при контроле по копоти, если раскрытие стыка не превышает значения = 0,02 мм.

Показано, что погрешности формы и контактные деформации соприкасающихся поверхностей могут оказать существенное влияние на величину выходного параметра, т.е. замыкающего звена размерной цепи.

Третья глава посвящена исследованию станочной позиции для механизированной пригонки собираемого узла.

Дается анализ технологических размерных цепей при традиционной технологии обработки компенсационной поверхности. Отмечается, что принятые в производстве допуски на размеры деталей, входящих в узел, не позволяют решить сопряженные задачи: обеспечение нормированной площади контакта поверхностей Ми Л (см. рис. 1 и 2), и лимитированный выход правого плеча рычага на размер Лд.

Было принято решение при создании станочной позиции соблюсти принцип подобия, широко известный в методах инженерного творчества. Конкретно, в станочной позиции (рис. 4) обрабатываемый рычаг базировался по аналогии с базированием в рабочем механизме. Размер Ад достигался путем срезания припуска шлифовальным кругом с поверхности М при выдвижении регулировочного клина вправо. Требуемое качество контакта поверхностей М и Л механизма достигалось размещением режущей периферии шлифовального круга аналогично поверхности Л корпуса механизма.

Рассмотренный выше конкретный пример дает наглядное представление о том, что возможно обеспечение идентичности положений обрабатываемой детали-компенсатора в момент обработки на станочной позиции и в собранном механизме. Отсюда следует, что размерные взаимосвязи элементов станочной позиции и обрабатываемой детали идентичны тем размерным связям, которые имеют место при установке той же детали-компенсатора в реальном механизме.

(Элементами станочной позиции являются установочные поверхности приспособления и производящая поверхность инструмента).

Рис. 4. Совмещенная схема механизма и позиции на станке

Таким образом, станочную позицию для механизированной пригонки можно охарактеризовать и как технологическую модель собираемого механизма. Однако переносить формально нормы точности механизма на станочную позицию было бы неправильным. Станочная позиция естественно должна быть точнее. Чтобы обосновать нормы точности на размеры, определяющие положение элементов станочной позиции, приходится выявлять размерные связи и решать соответствующие точностные задачи.

Замыкающим звеном размерной цепи станочной позиции для обработки поверхности М рычага спускового механизма, схема которой показана на рис. 5 является размер /7д, определяющий положение режущего инструмента относительной базовой поверхности приспособления.

Замыкающий размер (раскрытие стыка) станочной позиции определяется уравнением

г

\

К4 -0,5(£з -Я4)со8ф

-Ф + 0,5(^3-Я4),(3)

V

где

Ф = т —т';

(4)

(5)

Как видно из уравнений (3)...(6), передаточная функция относительно замыкающего размера Яд является трансцендентной и зависящей от входящих в неё составляющих размеров станочной позиции. Укрупненная схема алгоритма расчета 77д представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема расчета отклонений замыкающего звена

Во второй главе были определены допустимые отклонения замыкающего звена станочной позиции [Дд//д ] = 0,053 мм и [дснП ] = - 0,043 мм. Эти отклонения зависят от сочетания отклонений размеров рычага и аналогичных размеров станочной позиции. Для возможности оперативного управления допустимых отклонений станочной позиции был создан специальный алгоритм и про-

грамма для его реализации. На рис. 7 показаны окна программы вычисления отклонений замыкающего размера Пд.

В левом окне принято, что размеры звена компенсатора задаются конструкторским чертежом, а размеры станочной позиции имеют отклонения от середины поля допусков соответствующих им размеров звена-компенсатора + 0,03 мм. Как видно из нижних окошек, отклонения замыкающего размера превосходят допустимые. Дальнейшее повышение точности изготовления станочной позиции не имеет смысла. Программа позволяет также проанализировать возможность ужесточения допусков на звено - компенсатор. В правом окне показано, что при ужесточении допусков на размеры звена - компенсатора в 7 раз возможно осуществление пригонки на станке при жестко заданных размерах приспособления. Однако потребные отклонения размеров звена - компенсатора получились экономически неприемлемыми.

Минимальный допуск, н

Минимальный допуск, им

1 I* I» И "'! 1 |2 |3 !< 1

<ЗеКаП_верх -0,0300 0.0300 0.0300 0.0150 ;ОеПаЛ_верх -0,0300 0.0300 0,0300 0.0150

<ЗеЙаЛ_ниж -0.0900 -0,0300 -0.0300 -0.0450 ■0,0900 -0.0300 -0.0300 -0.0450

кз(_берх -0.0145 -0,2960 -0.1028 Цз.0046 !к«|_верх -0.0145 -0.2960 -0.1026 -0,0046

Ы_ниж к)~0142 -02972 -0.1026 -0.0046 к5|_ниж -0,0142 -0.2972 -0.1026 -0.0046

|<4еНаЕ_верх ■0,0286 0,0857 0.0266 Ц0107 |

!(1еааЕ_ниж ■0,0914 •0,0857 -0.0286 -0,0193

Де/5 --0.436мм |Д„Л1-0,1133мм

Ад --«>«««

Рис. 7. Окна программы вычисления отклонений замыкающего звена

Поэтому принято решение ввести регулировку по размеру 77г, как имеющему наибольшее передаточное отношение - 0,29. Меняя в левом окне допуски на размеры станочной позиции на экономически приемлемые ± 0,1 мм, можно, варьируя отклонениями звена П2 в широких пределах, найти требуемую величину регулировки положения поверхности С клина приспособления.

Из таблиц на рисунке 7 видно, что передаточное отношение звеньев размерной цепи рычажного механизма является переменным и зависящим от фактических значений размеров. В нашем конкретном случае эти изменения в 3..4 знаке малозначимы, однако в более общем случае они могут существенно возрасти. Отклонение замыкающего звена {А'п. ], вызванное отклонением А'п.

промежуточного / - го размера, можно представить в виде:

Д/7д (Д/7, /= Апъп2,...п1 + Д'я, ,...пт-кък2,...к],...кп)-

Приближенную величину отклонения замыкающего звена (д'п.), вызванную отклонением А'п. промежуточного г - го размера, можно представить в виде:

Л^д(Ля;ИдЯ;-Л пг (8)

Вопрос о близости аппроксимируемой и аппроксимирующей функций, решался с помощью критерия согласия Чебышева

Значимость погрешности приближения устанавливается сравнением ее величины со значением наибольшего частичного отклонения замыкающего звена:

М=Я-А,

,Ы- (10)

Уровень значимости погрешности приближения Н устанавливается по критерию точности станочной позиции. Достаточную точность технических расчетов обеспечивает 2 % - й уровень допустимой величины погрешности

М<# = 0,02ДЯД(Д'Я.) (11)

Если условие (11) не выполняется, то необходимо скорректировать передаточное отношение по осредненной величине отклонения. Для этого полный

интервал предельного отклонения Ас^ разбивается на две части и при отклонении» равном Асп^2, определяется осредненное передаточное отношение г -

го звена, осредненное передаточное отношение г - го звена проверяется на уровень допустимой погрешности расчета для обеих частей полного интервала отклонения, т.е. по вышеприведенным формулам определяется выполнение условия (11).

В случае неудовлетворения условия (11), каждая часть полного интервала отклонения разбивается еще на две части, для которых определяются передаточные отношения. Разбивка полного интервала отклонения / - го звена производится до тех пор, пока передаточные отношения исследуемых частей будут удовлетворять допустимому уровню значимости погрешности приближения.

Учитывая вышесказанное, величина отклонения замыкающего звена размерной цепи станочной позиции Д/ДДЯ;], вызванного предельными отклонениями Ду7(. ' - го промежуточного размера определяется как сумма частных отклонений от отдельных частей полного интервала предельного отклонения

Аяд я, +Ш2Ч2П1 + +" + ^ктЬктПт > (12)

где - количество частей, на которые разбивается полный интервал отклонения I - го звена.

В четвертой главе описаны технологические разработки для реализации теоретических положений, обоснованных во 2 и 3 главах. На рис. 8. и 9 показаны станочная позиция и технологическая оснастка для механизированной пригонки шептала на базе плоскошлифовального станка мод. ЗГ71.

Рис. 8. Станочная позиция для Рис. 9. Оснастка: 1 -установочное

шлифования поверхности М приспособление, 2 - приспособление шептала измерительно-настроечное

Аналогичные приспособления были созданы и использованы на ОАО АК Туламашзавод и ОАО «ТОЗ» для механизированной пригонки рычага толкателя, зацепов затвора в сборе с корпусом и устройства строительно-монтажного пистолета ПЦ-52-1.

Заключение и общие выводы

Теоретические и экспериментальные исследования» выполненные в диссертации» позволяют сделать вывод о реальной возможности исключения ручных пригоночных работ при сборке автоматических машин. В диссертации решена важная для машиностроения научная задача - разработка и обоснование способов и средств механизации пригоночных работ при сборке многозвенных рычажных механизмов, обеспечивающих заданную точность выходных параметров узлов автоматических машин и снижающих трудоемкость их изготовления.

Сделаны следующие выводы:

1. Доказана обоснованность применения пригоночных работ при сборке многозвенных рычажных механизмов с точностью, нормируемой по пятну контакта, в случае, когда деталь-компенсатор одновременно входит в 2 связанные размерные цепи.

2. Экспериментально определено влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки.

Доказана возможность теоретического определения составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей контактные деформации

сопрягаемых поверхностей деталей сборочной ед шицы. Расчет контактных сближений можно производить по известным формулам, исходя из прилегания поверхностей по красящему слою. Переход от контурной площади контакта поверхностей к прилеганию по красящему слою должен корректироваться введением поправочных коэффициентов, учитывающих раскрытие стыка в зоне контакта поверхностей и погрешности их формы.

3. Экспериментально определена составляющая допуска замыкающего звена, учитывающая погрешности формы сопрягающихся поверхностей. Доказано, что в рассматриваемом рычажном механизме нет необходимости вносить поправки, учитывающие погрешности формы сопрягаемых поверхностей, вследствие незначительного их влияния на размер замыкающего звена.

4. Обосновано положение о том, что механизация пригоночных работ многозвенных рычажных механизмов в принципе возможна, если при доработке детали-компенсатора использовать ту же схему базирования, что и в рабочем механизме. Разработана технологическая модель собираемого механизма, имитирующая взаимодействие деталей во время съема компенсационного припуска.

5. Создана математическая модель станочной позиции, связывающая фактические значения размеров и положения звена - компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом).

6. Разработаны алгоритм и программа для интерактивного определения взаимного влияния размеров звена - компенсатора и станочной позиции на замыкающий размер, а также допустимых отклонений составляющих звеньев размерной цепи.

7. Результаты моделирования, показывают, что в рассматриваемом примере нельзя использовать приспособление с жестко заданными размерами, а нужно вводить размерную регулировку по составляющему звену с наибольшим передаточным отношением. Такая регулировка включена в технологическую модель.

8. Моделирование показало также, что передаточные отношения звеньев рычажного механизма имеют переменные значения, выражаемые трансцендентными функциями. Для расчета мгновенного значения передаточных отношений разработана методика их линеаризации, оценки погрешности линеаризации и минимизации погрешности по критерию согласия Чебышева.

9. Выполнены конструкторско-технологические разработки, реализующие теоретически обоснованные схемные решения, внедренные на ОАО «ТОЗ» и ОАО АК Туламашзавод. Использование разработанной технологии уменьшает время пригонки более чем в 2 раза, уменьшает трудоемкость ручных работ высококвалифицированными рабочими и создает предпосылки для стабилизации ритма технологического процесса сборки узлов автоматики.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. И.В. Григоров. Сопряженная обработка деталей на станках с ЧПУ/Известия ТулГУ. Технические науки. 2010. Вып. 4. Ч. 2. с. 102-105.

2. И.В. Григоров, A.C. Ямников. Технологическая модель многозвенного рычажного механизма/ Известия ТулГУ. Технические науки.2011. Вып. 6. Ч. 2. с. 114-121.

3. И.В. Григоров, A.C. Ямников. Размерный анализ рычажного механизма/ Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 2. с. 121-130.

4. И.В. Григоров. Станочная позиция для обработки зацепов затвора/ Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 2. с. 130-134.

5. A.A. Маликов, И.В.Григоров, A.C. Ямников. «Принципы разработки позиций для механизированной пригонки»/ Фундаментальные проблемы техники и технологии. № 6-3-2011. С.. 34-40.

6. И.В. Григоров, A.C. Ямников. Влияние погрешностей формы и относительного положения поверхностей деталей рычажного механизма на отклонения замыкающего размера. /Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2. С. 323-327.

7. И.В. Григоров, A.C. Ямников, Математическая модель станочной позиции для механизированной пригонки многозвенного рычажного механизма/Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2. С. 328-334.

8. И.В. Григоров, A.C. Ямников. Алгоритм расчета допустимых отклонений размеров станочной позиции для механизированной пригонки рычажного механизма/Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 2. С. 335-344.

9. Маликов A.A., Григоров И.В. Организационные особенности механизированной пригонки. Доклады Международной заочной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд», 29 ноября 2011 г.: в 9 частях. Ч.З Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Производство», 2011. С. 88-90.

Изд. Лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 17.04.2012 Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 019

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

61 12-5/3661

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

■Л 'Ь, / )

и

На правдх рукописи

Григоров Игорь Владимирович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ МНОГОЗВЕННЫХ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПЕРЕМЕННЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ямников Александр Сергеевич

Тула-2012

Содержание

Введение.........................................................................................................5

1. Анализ путей сокращения трудоемкости пригоночных работ в производстве автоматических машин.................................................................16

1.1. Некоторые особенности использования метода пригонки при достижении точности в многозвенных размерных цепях............................17

1.2. Примеры некоторых типовых механизмов автоматических машин, сборка которых осуществляется с использованием пригоночных работ...................................................................................................................23

1.3. Обработка «по месту» и сопряженная обработка.........................28

1.4. Особенности сопряженной обработки при достижении точности в многозвенных размерных цепях...................................................................29

1.5. Возможности использования станков с ЧПУ для механизированной пригонки...........................................................................34

1.6. Выводы. Цель и задачи исследования...........................................35

2. Расчет конструкторских размерных цепей автоматических машин с учетом погрешностей форм и контактных деформаций соприкасающихся поверхностей..........................................................................................................38

2.1. Соединение шептала с крышкой....................................................41

2.1.1. Размерный анализ соединения шептала с крышкой.............42

2.1.2. Экспериментальное определение составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.................................................................................................51

2.1.3. Определение составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей контактные деформации под действием регламентированной статической нагрузки...............................................56

2.3. Выводы..............................................................................................72

3. Разработка компоновочных схем станочных позиций для механизированной пригонки...............................................................................74

3.1. Абстрактное решение задачи механизации пригонки рычажных

механизмов с заданной по пятну контакта точностью прилегания звеньев .............................................................................................................................74

3.2. Станочная позиция для пригонки шептала...................................81

3.2.1. Технологические размерные цепи..........................................82

3.2.2. Размерные цепи станочной позиции.......................................85

3.3. Обоснование норм точности станочной позиции.........................91

3.3.1. Анализ соответствия размерных связей механизма и станочной позиции........................................................................................91

3.3.2. Погрешность технологической модели собираемого механизма.......................................................................................................94

3.3.3. Выбор регулируемых элементов, способов и точности настройки технологической оснастки.........................................................96

3.3.4. Определение возможности практической реализации исследуемой компоновочной схемы станочной позиции.......................105

3.3.4.1. Расчет максимально допустимых отклонений на размеры конструктивных элементов станочной позиции для шлифования поверхности М рычага, из условия обеспечения, при объединении рычага с крышкой, регламентированного прилегания сопрягаемых поверхностей...............................................................................................106

3.3.4.2. Проверка по условию выполнения регламентированного выхода правого плеча рычага, назначенных из условия обеспечения регламентированного прилегания норм точности, на станочную позицию .......................................................................................................................115

3.2.5. Оценка погрешности расчета по линеаризированному уравнению размерной цепи........................................................................118

3.3. Рекомендуемая последовательность этапов проектирования процессов механизированной пригонки с использованием станочных позиций.............................................................................................................122

3.4. Выводы............................................................................................124

4. Технологическая оснастка и приемы осуществления

механизированной пригонки, реализация результатов работы.....................126

4.1. Станочная обработка шептала спускового механизма..............126

4.1.1. Технологическая оснастка.....................................................126

4.1.2. Экспериментальное исследование обеспечения точностных параметров сборки спускового механизма...............................................132

4.2. Станочная позиция для обработки зацепов затвора...................134

4.3. Станочная позиция для шлифования рычага-толкателя............141

4.4. Замена ручных пригоночных работ станочным съемом компенсационного слоя на примере сборки ударного устройства строительно-монтажного пистолета ПЦ-52-1..............................................143

4.5. Выводы............................................................................................147

Заключение и общие выводы...................................................................148

Список использованной литературы......................................................151

Приложения...............................................................................................160

Приложение 1. Программа расчета допустимых отклонений размеров станочной позиции для механизированной пригонки многозвенного рычажного механизма.....................................................................................160

Приложение 2. Сведения об использовании результатов диссертации ...........................................................................................................................164

Введение

Опыт многих машиностроительных предприятий, а также исследования советских и зарубежных ученых свидетельствуют о тенденциях относительного увеличения трудозатрат на сборку в последние 10-12 лет [3]; в связи с этим, задача снижения трудоемкости сборочных работ является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач технологии машиностроения. Решению этой задачи посвятили свои труды видные советские и российские ученые: Балакшин Б.С, [10, 15], Васильев A.C. [14, 99], Коганов И.А. [37, 56, 58, 78], Колесов И.М. [39, 40, 78], Корсаков B.C. [43, 44], Маликов A.A. [26, 49, 50, 53, 65, 102], Новиков М.П. [61, 62], Суслов А.Г. [97, 98], Ямников A.C. [53, 65, 102].

Трудоемкость узловой и общей сборки составляет в среднем около 30 % всей трудоемкости изготовления машин. В массовом и крупносерийном производстве эта доля меньше, а в единичном и мелкосерийном, где выполняется большой объем пригоночных работ, трудоемкость сборки достигает нередко 45...50 % и более [18]. Высока себестоимость сборочных работ, что обусловлено преобладанием на сборке преимущественно ручного труда и использованием рабочей силы повышенной квалификации. Последнее характерно и для сборки автоматических машин, где, несмотря на подчас массовый характер производства, широко применяется ручная пригонка ответственных соединений.

Большой объем пригоночных работ при сборке автоматических машин объясняется рядом существенных причин, среди которых немаловажными являются исторические традиции, сложившиеся в рассматриваемых производствах.

Конструкции и производство автоматических машин сложились на основе оружейного производства - первого массового производства машин, основанного на принципах взаимозаменяемости [38, 59, 105, 106]. Достижение взаимозаменяемости в то время (17-18 вв.) основывалось на ручной слесарной пригонке деталей по эталонам (лекалам). Конструкции

ружей (охотничьих), сложившиеся в то время и почти не изменившиеся до настоящего времени, предусматривали возможность достижения точности только ручной пригонкой.1

Таким образом, первая причина большого объема пригоночных работ при сборке автоматических машин заключается в переносе исторически сложившихся в оружейном производстве традиционных решений по обеспечению точности на конструкции автоматических машин.

Второй причиной является стремление конструкторов автоматических машин обеспечить возможно более полный контакт поверхностей деталей, воспринимающих высокие динамические нагрузки при функционировании [5, 19, 86].

В связи с этим на сборочных чертежах указывается, каким (в процентах от номинальной площади контакта) должен быть контакт поверхностей, а иногда дополнительно указывается и предпочтительная зона расположения контакта.

До последнего времени отсутствовали какие-либо методические указания по переводу норм контакта в отклонения линейных и угловых величин. Поэтому технологи, не зная, какие допуски, следует назначать на обработку сопряженных поверхностей, вынуждены вводить в технологические процессы сборки операции ручной пригонки.

Методика перевода норм контакта в отклонения линейных и угловых величин, изложенная в работе [58], и, выполненная для условий сопряжения деталей автоматических машин, предусматривает контроль полноты контакта по отпечатку на предварительно закопченной поверхности.

1 Исторический опыт оружейного производства, как нельзя лучше подтверждает тот факт, что конструкция любого изделия является отражением достигнутой технологии. В 17-18 веке единственным надежным методом достижения точности являлась слесарная обработка. Это и нашло соответствующее отражение в конструкциях ружей. Так, например, наличие в замковых соединениях труднодоступных для станочной механической обработки мест, по-видимому, и объясняется изложенными соображениями.

Согласно методике допуски на отклонения размеров формы сопряженных поверхностей находятся, примерно, в пределах 0,014...0,027 мм. Для выдерживания столь жестких допусков необходима разработка специальных приемов (сопряженной) обработки и методов контроля. Отсутствие таких приемов и методов есть третья причина большого объема пригоночных работ при сборке автоматических машин.

Актуальность темы диссертации

Трудоемкость узловой и общей сборки составляет в среднем около 30 % всей трудоемкости изготовления машин. В массовом и крупносерийном производстве эта доля меньше, а в единичном и мелкосерийном, где выполняется большой объем пригоночных работ, трудоемкость сборки достигает нередко 45...50 %. Высока себестоимость сборочных работ, что обусловлено преобладанием на сборке преимущественно ручного труда и использованием рабочей силы повышенной квалификации. Последнее характерно и для сборки автоматических машин, где, несмотря на подчас массовый характер производства, широко применяется ручная пригонка ответственных соединений.

При слесарной пригонке рабочий собирает узел, предварительно нанеся слой копоти регламентированной толщины на одну из прилегающих при сборке поверхностей. Затем поверхности в подсобранном механизме приводятся в соприкосновение с помощью штатной пружины механизма. По площади пятна контакта рабочий делает заключение о годности сборки.

Если площадь контакта не достигает необходимой величины или если заданное выступание плеча рычага не соответствует допуску, то рабочий разбирает узел и снимает компенсационный припуск, специально оставленный на звене-компенсаторе. Эти приемы могут повторяться от 3-х до 7 раз в зависимости от точности изготовления составляющих звеньев размерной цепи и квалификации рабочего.

Механизация съема припуска возможна, если на станочной позиции будет создана имитация собираемого механизма (технологическая модель).

Однако для успешного достижения точности при сборке необходимо обеспечение тождественности размеров звеньев механизма и технологической модели. Наличие разброса размеров деталей механизма и станочной модели приводит к нарушению этого требования. Следовательно, требуется сопоставительный анализ размерных связей собираемого механизма и его технологической модели и разработка теоретического обоснования разрешения этих противоречий.

Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность выходных параметров узлов автоматических машин и снижающих трудоемкость их изготовления, является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Регистрационный номер: 7.1439.2011 19.59.2011).

Объектом исследования является технологический процесс пригонки сопрягаемых поверхностей деталей автоматики высокотемпных изделий.

Предметом исследования является установление и исследование внешних и внутренних размерных связей узлов при сборке рычажных механизмов и закономерностей технологического процесса их механизированной пригонки.

Целью настоящей работы является выявление закономерностей размерных связей, проявляющихся при сборке узлов рычажных механизмов, точность прилегания контактирующих поверхностей которых нормирована по пятну контакта, обоснование и разработка специальных приспособлений и приемов станочной обработки, позволяющих, в совокупности, исключить необходимость привлечения рабочей силы высокой квалификации для ручной пригонки.

Для достижения названной цели в диссертации были поставлены следующие задачи:

1. Анализ специфичных особенностей решения размерных цепей

многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки, а также составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.

3. Обоснование рациональных приемов достижения точности замыкающих звеньев рычажных механизмов с переменным передаточным отношением и компоновки устройств для механизации пригоночных работ.

4. Обоснование размерно-точностных параметров станочной позиции для механизированной пригонки звена - компенсатора многозвенного рычажного механизма с переменным передаточным отношением.

5. Реализация обоснованных схемных решения в виде конкретных конструкций технологической оснастки, а также технологических приемов для механизированной пригонки типовых многозвенных рычажных механизмов с переменным передаточным отношением.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории размерных связей, общей технологии машиностроения, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

1. Теоретическое обоснование неизбежности пригоночных работ при сборке рычажных механизмов с точностью, нормируемой по пятну контакта, в случае, когда деталь-компенсатор одновременно входит в 2 связанные размерные цепи.

2. Результаты экспериментального определения влияния параметров шероховатости сопрягаемых поверхностей деталей на величину контактного сближения под действием регламентированной статической нагрузки, а также экспериментального определения составляющей допуска замыкающего звена, учитывающей погрешности формы сопрягающихся поверхностей.

3. Положение о том, что механизация пригоночных работ рассматриваемых механизмов в принципе возможна, если при доработке детали-компенсатора использовать ту же схему базирования, что и в рабочем механизме.

4. Технологическую модель собираемого механизма, имитирующего взаимодействие деталей во время съема компенсационного припуска.

5. Математическую модель станочной позиции, связывающую фактические значения размеров и положения звена - компенсатора и размеров элементов станочной позиции с величиной замыкающего размера (раскрытия стыка с нормированным контактом).

6. Алгоритм и программу для интерактивного определения взаимного влияния размеров звена - компенсатора и станочной позиции на замыкающий размер, а также допустимых отклонений составляющих звеньев размерной цепи.

7. Результаты моделирования, показывающие, что в рассматриваемом примере нельзя использовать приспособление с жестко заданными размерами, а нужно вводить размерную регулировку по составляющему звену с наибольшим передаточным отношением.

8. Методику линеаризации передаточных отношений составляю�