Перспективные направления совершенствования качества сборки изделий машиностроения

УДК 621.91

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

КАЧЕСТВА СБОРКИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

В.В. Непомилуев, А.Н. Семенов

Рассмотрены возможности повышения качества изготовления изделий машиностроения путем использования различных подходов.

Ключевые слова: сборка, процесс, качество, размер, технология.

В условиях современного производства актуальны задачи гарантированного обеспечения качества и достижения максимальной идентичности изделий. Научно-технический прогресс в машиностроении неизбежно сопровождается постоянным усложнением конструкций, повышением требований к качеству и технико-экономическим характеристикам выпускаемых изделий. Однако создание новых изделий в значительной мере сдерживается имеющимся уровнем технологии их изготовления.

Процесс сборки является завершающим и наиболее ответственным этапом производства любого изделия и с позиций ключевых положений технологии машиностроения - теорий базирования и размерных цепей -его можно представить как сопряжение базовых поверхностей деталей узла или механизма с формированием замыкающего звена размерной цепи. Такой подход позволяет модернизировать основные методы этих положений и использовать для безусловного достижения качества изделия.

Известно, что для повышения качества изготовления изделия необходимо стремиться к уменьшению вариабельности геометрических выходных параметров, т.е. разброса величины замыкающего звена. Данная проблема особенно наглядно проявляется и актуальна при сборке конструктивно сложных и ответственных изделий машиностроения, у которых допуск выходных геометрических параметров - замыкающих звеньев сопоставим или более жесткий по сравнению с точностью размеров деталей, т.е. составляющих звеньев.

Основной причиной такой вариабельности является изменение реальных размеров деталей в собранном состоянии и в процессе эксплуатации, которые фактически становятся «нежесткими» размерами вследствие формирования дополнительных механических связей и «перебазирования» деталей. Положение детали в конструктивном образовании определяется совокупностью механических связей, прикладываемых к базовым поверхностям, что соответствует понятию базирование. Необходимым условием для достижения определенности базирования детали во время сборки или работы является применение силового замыкания, т.е. приложение сил. Осуществление силового замыкания путем приложения нагрузки к вспомогательным базам детали в процессе сборки через другую деталь означа-

ет добавление дополнительных связей, препятствующих перемещению тела в противоположном направлении. При этом силы и моменты, создающие силовое замыкание, должны быть больше сил и моментов, возникающих в процессе работы машины.

Очевидно, что идеализация схем взаимодействия деталей при непосредственном использовании положений теории базирования приводит к многочисленным проблемам в части обеспечения параметров точности, жесткости, качества функционирования машин. В первую очередь, такое положение обусловлено некритичным и некорректным использованием основных теоретических положений технологии машиностроения, которые разработаны Б.С. Балакшиным применительно к этапу изготовления деталей машин. Идеализированные представления теоретической механики о свойствах тел и их базировании, допустимые к использованию во временных технологических средах, создающихся для механической обработки деталей, были перенесены в теорию сборки машин.

С позиций статики, силовое замыкание означает приложение односторонних дополнительных связей в виде соответствующего количества точек контакта и увеличение их количества. Безусловное выполнение служебного назначения абсолютным большинством деталей требует одновременного обеспечения плотного контакта всех базовых поверхностей. Поэтому для представления о реальном базировании деталей в любых сборочных образованиях следует выявить структуру связей всех базовых поверхностей детали, что возможно только при некотором абстрагировании контактных схем базирования отдельных поверхностей путем использовании равнодействующих контактных связей каждой поверхности. При таком подходе оказывается, что большинство деталей при сборке становится избыточно базированными [1]. Типичным примером такой избыточности, заложенной при конструировании, можно считать базирование конической шестерни, которая приведена И.А. Биргером в качестве примера эксплуатационной проблематики в части обеспечения надежности.

Одновременное использование конической, шлицевой и торцовой поверхностей шестерни в качестве базовых суммарно накладывает на поверхности детали 13 структурных связей (5 + 3 + 5), что и означает нарушение теоретических принципов базирования. В то же время это количество отражает только статические сборочные связи, поскольку в процессе эксплуатации к зубчатому венцу будут прикладываться и связи от шестерни, находящейся с ней в контакте, что еще более повысит уровень избыточности.

Качественные показатели изделий с избыточностью базирования существенно зависят от сил и моментов сил, прикладываемых к деталям в процессе сборки, поэтому возможно бесконечно большое число состояний объекта сборки вследствие непрогнозируемого распределения деформаций от реакций избыточных связей. В изделиях низкой или нормальной точности эти деформации составляют незначительную часть допуска на пара-

метры изделия и не имеют решающего влияния на качество. При сборке высокоточных изделий деформации, возникающие при формировании избыточных связей, могут быть не только соизмеримы с допуском, но и существенно превосходить его. Поэтому, в большинстве случаев, традиционным способом обеспечения качества изделий является повышение точности деталей, повторные сборки и длительный цикл доводки. Высокая точность таких деталей существенно удорожает и усложняет производство, поэтому требует использования прецизионного оборудования и строгого технико-экономического обоснования. В то же время, повышение точности деталей для обеспечения качества высокотехнологичных изделий не всегда дает гарантированный результат, поэтому этот способ необходимо применять в сочетании с методами технологической компенсации.

Классическая теория сборки основана на расчете скалярных размерных цепей, звенья которых являются абсолютно жесткими и не имеют пространственных погрешностей расположения поверхностей. Поэтому вероятность точного определения сборочных размеров изделий с избыточным базированием деталей весьма мала. Для иллюстрации стохастического характера формирования монтажной длины как сборочного параметра узла (рисунок), рассмотрим два варианта взаимного расположения дисков, вспомогательные базы которых имеют отклонения от номинального положения, на базирующем валу.

При случайном комплектовании узла из-за погрешностей расположения вспомогательных баз между дисками будут иметь место зазоры, а длина сборочного пакета в зависимости от места измерения будет иметь значительный разброс (рисунок, а). При силовой сборке пакета произойдет выборка зазоров в стыках, а негативные реакции формируемых избыточных связей приведут к деформированию базовой детали (рисунок, б). Оптимизация порядка следования дисков в сочетании с угловой ориентацией (рисунок, в, г) для взаимной компенсации торцовых биений вспомогательных баз позволяет значительно уменьшить разброс сборочного размера и снизить деформацию вала.

Приведенный пример отражает сущность большинства используемых в практике сборочных приемов, заключающихся во взаимном поглощении противоположных по знаку отклонений расположения вспомогательных баз сопрягаемых деталей относительно основной базы. Компенсация осуществляется путем подбора или изменения порядка следования и угловой ориентации деталей для достижения оптимального состояния сборочной системы.

В качестве критериев оптимизации могут использоваться размерные и физические характеристики качества, которые обеспечиваются при соблюдении общего условия для любых целевых функций - достижения плотного прилегания вспомогательных базирующих поверхностей, которое обеспечивает достижение их развитого контактного взаимодействия, и минимальной деформации сборочной системы [2].

Отражение явления изменяемости деталей как звеньев размерных цепей при высоких технических требованиях к точности сборки потребовало введения понятий упругих и гибких тел, обладающих податливостью вследствие контактных, объемных, температурных и прочих деформаций, разработки расчетных методик для нежестких, динамических, эксплуатационных размерных цепей и ряда других.

ш Ш 1 Ч>АЛ ш

шш Ш1Ш

118,44

125,35

© [ф ш ;.©]<5)

---------- ---

шт У/// У/У, Ш щ.

114,03

Возможные варианты расположения дисков на валу

Отличительной особенностью перечисленных методик является использование компенсирующих воздействий с целью нейтрализации погрешностей деталей и сборочного процесса. В отличие от традиционных методов достижения точности замыкающего звена, в которых компенсация закладывается конструктивно в виде использования специальных деталей и дополнительных слоев материала, новые методы сборки основываются только на технологических приемах.

Метод индивидуального подбора деталей. При использовании традиционных методов сборки процесс суммирования погрешностей деталей неуправляем. Этого недостатка лишен метод индивидуального подбора деталей, основанный на предваряющем сборку рассмотрении всех или некоторой части возможных вариантов и выборе лучшего из них для практической реализации. Однако, непосредственное применение такого способа при сборке реального изделия, когда количество возможных вариантов соединения деталей может превышать десятки миллионов, невозможно. Выход — в автоматизации процесса индивидуального подбора деталей с помощью компьютера и превращение метода индивидуального подбора в компьютерную технологию [3].

Индивидуальный подбор деталей может осуществляться по различным алгоритмам, существенно различающимся по трудоемкости их осуществления. Исследования показывают, что самый простой алгоритм подбора - путем упорядочения массивов действительных размеров деталей -обладает соизмеримыми возможностями по сравнению с другими, гораздо более сложными алгоритмами.

Сущность алгоритма заключается в следующем. Величины действительных размеров собираемых деталей, находящихся в данный момент на сборочном складе, вносятся в базу данных компьютера. Имеющиеся в базе данных значения размеров деталей Ац и А2у упорядочиваются по убыванию. Затем столбцы упорядоченных таким образом значений А1г- и А2у почленно вычитаются, образуя замыкающее звено Адл, т.е.

Алл = Ац - А2 у .

Такое моделирование производилось для трех случаев:

1) для размерной цепи, состоящей из 2 составляющих (одно увеличивающее и одно уменьшающее) и 1 замыкающего звена;

2) для размерной цепи, состоящей из 4 составляющих (два увеличивающих и два уменьшающих) и 1 замыкающего звена;

3) для оценки полученных результатов было проведено сравнение с методом полной взаимозаменяемости.

Во всех случаях рассматривалось по 100 деталей каждого наименования. Рассчитанные значения стандартных отклонений а и величин полей рассеяния замыкающего звена юАд представлены в таблице.

Стандартные отклонения и величины полей рассеяния

замыкающего звена

Количество составляющих звеньев в размерной цепи Без подбора С подбором

Расчет по теоретической формуле По результатам моделирования

2 юАд =2 а=0,269 юАд =1,614 о=0,025 юАд =0,15

4 юАд =4 а=0,358 юАд =2,148 о=0,044 юАд =0,264

В обоих случаях получились практически идентичные результаты: разброс качества собранного изделия для ограниченной выборки в 100 штук сокращается в 6 - 12 раз, а по сравнению с теоретическими расчетами в 13 - 15 раз.

Таким образом, самым существенным преимуществом данного способа является возможность резкого роста качества изготавливаемого изделия без повышения требований к его деталям и без риска получения дефектного изделия при физическом осуществлении процесса сборки (поскольку при компьютерном моделировании процесса сборка носит виртуальный характер). Более того, по мере роста количества звеньев в размерной цепи преимущества этого метода растут.

75

Недостатками способа являются дополнительные затраты на контроль и компьютерную комплектацию деталей, а также зависимость достигаемого качества и его стабильности от количества находящихся на сборочном складе деталей.

Несмотря на зависимость достигаемого качества от количества деталей на сборке, рассмотренный способ может применяться даже в единичном производстве, если собираемые детали могут занимать друг относительно друга различные относительные положения. Применение такой технологии дает возможность таким образом подобрать собираемые детали и их относительное положение, чтобы они в максимально возможной степени компенсировали погрешности друг друга.

Изготовление и/или подбор одной детали по действительным размерам сопрягаемой детали. При использовании данного способа сначала изготавливается та из сопрягаемых деталей, требования к качеству которой наиболее трудно достижимы. После изготовления 1-й сопрягаемой детали производится ее контроль и полученный действительный размер передается в систему управления станка, выполняющего окончательную обработку 2-й сопрягаемой детали. Этот станок настраивается на операционный размер, рассчитываемый с учетом действительного размера 1-й детали, а не на середину поля допуска заданного в технологической карте операционного размера. В результате общая погрешность при сборке изготовленной таким образом пары деталей уменьшается на величину погрешности наиболее сложной в технологическом отношении детали. В большинстве случаев это очень существенно.

Такой способ используется в единичном и ремонтном производстве, когда обе детали изготавливаются одним рабочим (работа «по месту»). Однако прямое копирование способа с целью использования его в серийном производстве невозможно, поскольку неизбежно возникнут практически неразрешимые проблемы.

Для эффективной реализации данного способа в серийном производстве необходимо:

1) наличие оборудования с ЧПУ для обеспечения возможности оперативной коррекции настроечных размеров;

2) реинжиниринг существующего производственного процесса.

Известно, что реинжиниринг основан на отыскании устаревших

правил и фундаментальных допущений, на которых строится работа, и решительном разрыве с ними. В данном случае наиболее фундаментальным из устаревших допущений является принцип разделения труда. Существующие в настоящее время принципы организации труда в механосборочном производстве основаны на допущениях относительно технологии, людей и целей организации, которые уже давно не соответствуют действительности. Между тем, возможности современных информационных технологий очень велики и быстро расширяются. Современные станки с ЧПУ

могут непосредственно взаимодействовать с компьютерной сетью, что позволяет выполнять процессы изготовления собираемых деталей взаимосвязано даже в тех случаях, когда они разделены территориально.

Обеспечение объективности оценки достигнутого при сборке качества. Известно, что при решении любой технической проблемы необходимо обеспечить выполнение трех взаимосвязанных задач: конструкторской, технологической, метрологической.

Кроме того, что сами по себе эти задачи сложны, их необходимо решать с учетом технико-экономических ограничений. Как правило, решение, в том числе и метрологической задачи, представляет собой компромисс, поскольку во многих случаях контроль непосредственно требуемых от изделия эксплуатационных свойств либо затруднителен, либо вообще невозможен. В связи с этим чаще всего контролируют параметры, как-либо связанные с рассматриваемым свойством, но не являющиеся им. Более того, используемые для оценки параметры обычно неоднозначны и не характеризуют требуемое свойство полностью, допуская различные неравноценные варианты.

Решением рассматриваемой проблемы может быть использование технологии виртуальной сборки, при осуществлении которой внутри компьютера создается виртуальное изделие - адекватная математическая модель (или набор математических моделей) собранного изделия, учитывающая все наиболее существенные свойства и процессы, характерные для данного конкретного экземпляра какого-либо реального изделия.

Виртуальность изделия заключается в программном моделировании необходимых для его функционирования операций. В самом простейшем случае это виртуальное изделие может быть предназначено, например, для определения выходных геометрических или физических параметров качества сборки соответствующего реального изделия в данном конкретном варианте комплектации его деталей. Однако, с полученным виртуальным изделием в компьютерной среде виртуальной реальности в принципе можно очень быстро и с небольшими затратами производить те же самые действия, что и с реальным, физически существующим изделием, например, виртуальные балансировку, испытание, эксплуатацию. А это уже позволяет оценивать качество сборки изделия при данном конкретном варианте его комплектации по тем критериям, которые однозначно характеризуют его, но не могут быть обеспечены при использовании традиционной технологии сборки.

Такая технология дает возможность:

оценивать качество сборки изделия не только с помощью традиционных показателей, но и использовать гораздо более надежные и информативные эксплуатационные показатели, тесно связанные со служебным назначением изделия и не обеспечивающиеся при обычно используемой технологии сборки;

оценивать качество самой конструкции изделия, исследуя ее поведение на различных режимах с учетом специфических погрешностей, возникающих на всех этапах ее изготовления;

обоснованно формулировать требования к качеству изготовления деталей [4].

Использование компьютера при этом позволяет очень быстро рассмотреть множество вариантов комплектации, конструктивного исполнения или качества изготовления собираемого изделия и выбрать лучший из них, причем по критериям, напрямую связанным с эксплуатационным назначением изделия, например, по величине дисбаланса ротора газотурбинного двигателя на рабочих скоростях.

Список литературы

1. Семенов А.Н. Закономерности базирования деталей в сборке // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2005. № 3. С. 3-7.

2. Семенов А.Н. Сборка высокотехнологичных изделий с использованием компенсирующих воздействий // Сборка в машиностроении, приборостроении. 200б. № 3. С. 3-7.

3. Непомилуев В. В. Исследование возможностей повышения качества сборки путем использования индивидуального подбора деталей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2006. № 10. С. 34-38.

4. Непомилуев В. В. Технология виртуальной сборки — способ автоматизации индивидуального подбора деталей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2000. № 1. С. 31-35.

Непомилуев Валерий Васильевич, д-р техн. наук, проф., vvvvnn@yandex.ru, Россия, Рыбинск, Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева,

Семенов Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., semenov.an@,mail.ru, Россия, Рыбинск, Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

PERSPECTIVE DIRECTIONS OF THE MACHINE BUILDING QUALITY IMPROVING

V.V. Nepomiluev, A.N. Semenov

The possibility of improving the quality of the machine building examines by using different technologies is considered.

Key words: assembly, process, quality, size, technology.

Nepomiluev Valery Vasilevich, doctor of technical science, professor, vvvvnn@yandex. ru, Russia, Rybinsk, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University»

Semenov Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical science, professor, semenov. an@,mail. ru, Russia, Rybinsk, Federal State-Financed Educational Institution of High Professional Education «P. A. Solovyov Rybinsk State Aviation Technical University»