Технологическое обеспечение точностинаукоемких сборочных узлов на этапах жизненного цикла

УДК 621.75

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИНАУКОЕМКИХ СБОРОЧНЫХ УЗЛОВ НА ЭТАПАХ

ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

Е.А. Польский, О.А. Никонов, Н.С. Митраков, Ф.Д. Звягинцев

Приводится методика технологического обеспечения точности сборки высокотехнологичных изделий на основных этапах жизненного цикла с непрерывной компьютерной поддержкойв рамках автоматизированных подсистем проведения размерного анализа, позволяющих анализировать технологические, сборочные и эксплуатационные размерные связи.

Ключевые слова: точность, размерный анализ, моделирование технологического процесса, эксплуатационные свойства, долговечность, технологическое обеспечение параметров качества.

В настоящее время в рамках этапов разработки и постановки продукции на производство отмечается постоянное повышение требований к качеству проектирования при одновременной необходимости ускорения темпов выполнения этих работ. Это требует необходимости параллельной разработки документации при выполнении мероприятий конструкторско-технологической подготовки производства и создания единых конструк-торско-технологических отделов. В результате создаются предпосылки реализации нового принципа проектирования - технологического обеспечения требуемых эксплуатационных показателей высокотехнологичных сборочных узлов и их надежности при одновременном проектировании технологии механической обработки с уточнением параметров сборки. Такой подход к этапам проектирования для обеспечения точности конструкций предполагает управление точностью непосредственно элементами разрабатываемых технологических процессов изготовления и сборки. Такое проектирование актуально при любом типе производства и любой сложности технического проекта. Наибольший эффект, как показывает опыт внедрения автоматизированных подсистем, обеспечивается при непрерывной компьютерной поддержке основных этапов жизненного цикла (CALS-технологии) [1].

Использование готовых приобретаемых модулей при изготовлении сложных наукоемких изделий, таких, как металлорежущие станки, приводит к конструктивным изменениям. Число стыков в конструкции, авсвязи с этим и важность проблемы обеспечения контактной жесткости резко возрастает. Контактные деформации для станков, собранных из модулей, могут быть существенными и влиять на точность и жесткость станков. В связи с этим при проектировании технологических процессов сборки и механической обработки отдельных опорных деталей необходимо выполнять расчеты по определению контактных деформаций.

328

Контактная жесткость тесно связана с параметрами качества поверхностного слоя, а они определяются условиями обработки. Следовательно, расчеты контактных деформаций можно корректно выполнить только при прогнозировании технологических решений — разработке соответствующей технологии обработки контактирующих поверхностей с формированием параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающих эксплуатационные свойства [1, 2, 3].

Необходимость повышения качества продукции и, в частности, надежности требует полного анализа работы узла на этапах проектирования. Следует учитывать не только функциональные параметры, но и технологические возможности производства и сборки машины, возможности контроля основных ее параметров и их изменения в процессе последующей эксплуатации. В частности, необходимо отметить актуальность расчетов контактной жесткости для оценки эксплуатационных характеристик станка с учетом изменения некоторых исполнительных размеров в процессе сборки. Характерный пример представлен на рис. 1, где упрощенно показана часть конструкции одной из линейных координат станка. На плоскости станины 1 монтируются проставки 2 под рельсовые направляющие 3 (правая рельсовая направляющая на рисунке не показана) и подшипниковые опоры для винта ШВП 4. По рельсовым направляющим движутся каретки рельсовых направляющих 5. Стол 6 устанавливается на плоскости кареток и корпуса гайки ШВП 7.

Рис. 1. Схема размерной цепи для расчета размеров станка с учетом

контактных деформаций

При этом плоскости комплекта кареток (в комплекте не менее двух, чаще четырех, возможно и более) должны точно совпадать, чтобы обеспечить нормальный контакт с опорной плоскостью стола. Замыкающим размером для данной схемы в первом приближении можно считать размер О от оси корпуса гайки ШВП до привалочной плоскости. При этом мы пренебрегаем постоянством размера К — высотой опорной поверхности левой и правой проставок под рельсы, угловой погрешностью их расположения в

329

горизонтальной плоскости. Конструкция имеет несколько стыков, деформации которых вносят коррективы в размер О, который необходимо задать на чертеже.

При эксплуатации размерные связи не остаются постоянными [2, 3]. На машину будут воздействовать внешние и внутренние факторы, которые приводят к потере точности. Такие воздействия необходимо учитывать для комплексного обеспечения точности, поэтому для размерных цепей необходимо выделить еще одну группу размеров - эксплуатационные размеры. Они описывают дополнительные размерные связи, возникающие при эксплуатации изделия. Включение эксплуатационных размеров в конструкторские размерные цепи позволяет обеспечивать требуемую точность функциональных параметров в течение заданной долговечности изделия.

Каждый составляющий конструкторский размер формируется в процессе изготовления деталей либо непосредственно при получении заготовки, либо при последующей обработке (чаще всего механической со снятием припусков). Для этого детали определенным образом ориентируются относительно инструментов или неподвижных частей станков. При этом точность конструкторских размеров достигается различными технологическими методами: совмещением, постоянством или последовательной сменой баз [3, 4].

В результате объединения размерных цепей с учетом формирования каждого типа размеров могут быть назначены предельные отклонения исходных размеров [2, 3]:

п т I

ТД = Х С1Т81 + ХС]квнут!квнещ1кТээк + Х СкквнуткквнешккТээк , (1) / у к

где сс, ск- коэффициенты передаточных отношений; Тй - допуски технологических размеров; квнут, квнеш, кд, кТэк - коэффициенты, формирующие допуски эксплуатационных размеров соответственно для внутренних и внешних факторов, долговечности, точности расчетной схемы, используемой для определения параметров эксплуатационных свойств.

Значения дополнительных эксплуатационных звеньев являются функциями, которые определяются внешними и внутренними факторами. К внешним факторам можно отнести условия эксплуатации: величину и характер нагрузки, скоростные режимы, планируемая долговечность и др; К внутренним факторам - параметры, которые определяют эксплуатационные свойства сопряженных поверхностей: материал деталей, смазочные материалы, параметры качества поверхностного слоя и др.

Получены функции, описывающие дополнительные эксплуатационные звенья для разных типов сопряжений. Так в плоском контакте сопряженных деталей и при наличии между ними небольших осциллирую-

330

щих движений, например вследствие вибраций, происходит изнашивание. Взаимное внедрение поверхностей в результате изнашивания приводит к самоустановке деталей. При этом величины внедрения и1 и и2 и возможный перекос поверхностей можно описать уравнением плоскости в пространстве [1]:

с/1 + и 2 = р1 X + р 2 У + итт,

где р1, р2 - коэффициенты уравнения плоскости, соответствующие тангенсам углов наклона плоскости износа к соответствующим осям; итт - минимальное сближение в контакте.

Коэффициенты р1 ир2и параметр ит;пдля такой расчетной схемы можно определить по уровнениям

_ );

аЬ3

р2 _ ^^^

аЬ

итп _ К 127 Г

_ Р(к + к1)У1 а Ь

где кI, к2 - коэффициенты износа, характеризующие фрикционные свойства; Р, V, 1рх, 1ру - параметры эксплуатации сопряжения; а, Ь - геометрия сопряжения.

Из полученного выражения выделяются параметры, характеризующие внешние факторы эксплуатационных размеров квнеш. Аналогичным образом выделяются параметры, определяющие внутренние факторы квнут Далее относительно определенного единичного или комплексного параметра качества поверхностного слоя выполняется решение задачи [2].

Также следует обратить внимание на вид эксплуатационных звеньев. Их можно разделить на звенья, имеющие условно постоянный размер, и звенья, имеющие условно переменный размер во времени. К первым относятся эксплуатационные размеры, связанные с деформациями контактирующих поверхностей, а ко вторым - размеры связанные с изнашиванием поверхностей. При этом переменный во времени размер является некоторой постоянной величиной для всего периода эксплуатации узла или машины. С другой стороны, вид эксплуатационного звена определяет значения их номиналов и допусков.

Таким образом, объединение конструкторских цепей с технологическими цепями позволяет более гибко управлять качеством машин, в том числе определять параметры эксплуатационных свойств поверхностей деталей. Общие размерные схемы позволяют проследить совместное влияние различных параметров на качество и, прежде всего,на точность проектируемых машин и отдельных сборочных единиц. Применение численной

331

оптимизации системы ограничений заключается в уходе от ручных методов, которые обычно сводятся к усреднению звеньев цепи или по величине допуска, или по значению квалитета. Допуск обоснованно перераспределяется из менее строгих размерных цепей или составляющих размеров в более ответственные цепи с труднореализуемыми размерами.

Размерная структура техпроцесса представлялась в двух основных видах: в виде размерной схемы и в виде размерного графа, объединяющего размеры детали, заготовки и техпроцесса:

Р = ^Рдет , Рзаг , Ртех },

где Одет - граф конструкторских размеров деталирзаг - граф конструкторских размеров исходной заготовки;Ртех - граф технологических размеров и припусков ТП механической обработки.

Рассмотрим граф размерной структуры ТП. Он представляет собой совокупность размерных связей, которые с позиции оптимизации размерной структуры ТП можно разделить на изменяемые и неизменяемые.

К неизменяемым размерным связям отнесём:

- конструкторские размеры (в размерной структуре они не могут быть изменены без изменения чертежа детали, согласованного с конструктором);

- припуски (они могут быть изменены только при изменении плана обработки);

- размеры исходной заготовки (они могут измениться только при изменении чертежа исходной заготовки, связанного с изменением технологии ее получения).

Количество неизменяемых размерных связей в графе

Пн=Пк+Пп+Пз,

где пк - количество конструкторских размеров; пп - количество припусков; пз - количество размеров исходной заготовки.

К изменяемым размерам отнесем технологические размеры, выполняемые на операциях технологического процесса, их простановка изменяется при изменении технологических и измерительных баз на операциях [1].

Погрешность обработки - параметр, зависящий (при неизменных планах обработки поверхностей) от оборудования и оснастки. Он влияет на выбор допусков технологических размеров и определяет экономическую эффективность ТП.

Для его учёта создадим для каждой типовой размерной структуры матрицу среднеэкономических допусков (СЭД) на основе матрицы размерной структуры:

МСЭД

Т11 Т12 . . Т1к

Т21 Т и . . Т2к

Тк 1 Тк 2 . . Ткк _

где Ту - среднеэкономический допуск технологического размера между 1-й и ]-й поверхностями, если с 1-й поверхности снимается припуск, а ]-я используется в качестве измерительной базы.

Часть ограничений учитывается при построении матрицы типовой размерной структуры ТП, для учета остальных на основе МСЭД создаем матрицу точности и свойств поверхностей (ТСП), записывая в матрице экономических допусков нули вместо допуска для тех случаев, когда простановка размера между поверхностями невозможна:

М т

t

11 ^12

г21

1Ч

tk1 1к2

Чк t2k

tkk

где Ц=Ту (7), если между поверхностями возможна простановка размера на технологической операции, и %=0, если постановка размера невозможна.

Для математической модели запишем

М _ {МТРС, МРЦ, МТ }.

Модель размерной структуры технологического процесса механической обработки учитывает все технологические, конструкторские и экономические факторы. Кроме того, выявлены ограничения модели, что позволяет в дальнейшем перейти к ее комплексной оптимизации.

Разработана программа реализации размерно-точностного анализа с модулем оптимизации структуры размерных связей для повышения технологичности конструкции детали на основе элементов СЛЬ8-технологий [4].

Критерий Q учитывает комплекс конструкторско-технологических и структурных ограничений матрицы точности и свойств поверхностей, экономических факторов целевой функции, при этом является безразмерной величиной, не изменяющей физического смысла:

£

. к ,к > _1, у _1

/

к-1 V и _1

Ху )и

где 1/2 - коэффициент, учитывающий дублирование размерных связей в матрице ТРС; к - количество узлов графа размерной структуры (равно размерности матрицы ТРС); с= - коэффициент увеличения трудоемкости при ужесточении среднеэкономического допуска (по существующим нормативам при увеличении точности на квалитет (К-Ку), увеличивается в 2 раза); ву=1000/!д - коэффициент приведения точности (равен обратной величине единицы допуска, приведенной к мм), 1/мм; Ц - коэффициент из матрицы ТСП, мм; Ь(ф - коэффициент матрицы размерных цепей, соответствующий ау из матрицы РС.

Предложена концепция автоматизированной подсистемы технологической подготовки производства, обеспечивающая определение конструктивных размеров и корректировку точности функциональных размеров отдельных деталей по критериям повышения технологичности конструкции при оптимизации простановки технологических размеров для различных вариантов реализации операций механической обработки (выбор схемы установки заготовки, настройка станков различных типов на обеспечение требуемой точности конструкторских размеров).

По критериям минимизации припуска и (или) минимуму рабочих ходов оптимизируется РТА при различных схемах простановки операционных размеров.

Списоклитературы

1. Инженерия поверхности деталей / коллектив авт.; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение. 2008. 320 с.

2. Польский Е.А., Филькин Д.М. Технологическое обеспечение качества сборочных единиц на основе анализа размерных связей с учетом эксплуатации // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. №11 (41). С. 36 - 44.

3. Суслов А.Г., Федонин О.Н., Польский Е.А.Наукоемкая технология повышения качества сборочных единиц машин на этапах жизненного цикла // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. №5 (59). С.34 - 42.

4. Польский Е.А. Технологическое обеспечение точности и качества поверхностей деталей машин при проектировании маршрутно-операционного технологического процесса методом синтеза на основе анализа размерных связей // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016.№10 (64). С. 39 - 48.

Польский Евгений Александрович, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, polski. eugene@hotmail.com, Россия,Брянск, Брянский государственный технический университет,

Никонов Олег Александрович, главный технолог, polski.eugene@hotmail. com, Россия, Брянск, Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод»,

Митраков Никита Сергеевич, асп., polski. eugene@hotmail. com, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Звягинцев Филипп Дмитриевич, асп., polski.eugene@hotmail.com, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

TECHNOLOGICAL PROVISION OF ACCURACY OF SCIENTIFIC ASSEMBLY AT STAGES

OF LIFE CYCLE

E.A. Polski, O.A. Nikonov, N.S. Mitrakov, F.D. Zvyagintsev

The technique of technological maintenance of accuracy of assemblage of hi-tech products at the basic stages of a life cycle with continuous computer support within the limits of the automated subsystems of carrying out the dimensional analysis allowing to analyze technological, assembly and operational dimensional communications is resulted.

Key words: accuracy, dimensional analysis, modeling of the technological process, operational properties, durability, technological quality parameters.

PolskiEvgenyAleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, manager of kathedra, _polski. eugeneahotmail. com, Bryansk, Russia, Bryansk State Technical University,

Nikonov Oleg Aleksandrovich, chief technologist, polski. eugenea hotmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk Engineering Plant Management Company,

Mitrakov Nikita Sergeevich, postgraduate, polski. eugeneahotmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Zvyagintsev Philip Dmitrievich, postgraduate, polski. eugenea hotmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University

УДК 539.621

МОДЕЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ СМЕШАННОЙ СМАЗКИ

С.В. Сорокин

Рассматриваются вопросы построения модели трибосистемы как логико-математической структуры, описывающей взаимосвязанные элементы системы -прочностную, динамическую, подсистему контактирования, подсистему трения и изнашивания и термодинамическую подсистему. Синтез элементов данной трибосистемы с использованием системного подхода позволит создать модель, адекватно описывающую процессы, происходящие в паре смешанного трения.

Ключевые слова: модель трибосистемы, трение, смазка, контактное взаимодействие, теория прочности, интенсивность изнашивания.

В зависимости от характера смазки деталей машин различают 4 вида трения: без смазочного материала, граничное, гидродинамическое (жидкостное) и смешанное. В первом случае контактируют несмазываемые поверхности, покрытые окисными пленками и тончайшими слоями моле-кулгазов и воды, адсорбированнымииз окружающей среды. Во втором