Размерный анализ как инструмент обеспечения эксплуатационных характеристик электроинструмента

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2 УДК 621.002.54

РАЗМЕРНЫЙ АНАЛИЗ КАК ИНСТРУМЕНТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТА

В.Б. Богуцкий, Л.Б. Шрон, В.М. Мануйленко, М.В. Пянковская

Обоснована необходимость применения объективно ориентированных методик размерного анализа для конструкторско-технологической отработки изделия на примере размерного анализа конструкции электроинструмента. Приведены результаты испытаний электроинструмента показывающие, что корректировка допусков сопрягаемых поверхностей деталей, выполненная по результатам размерного анализа, позволила снизить уровень шума на холостом ходу и уменьшить износ зубьев зубчатых колес.

Ключевые слова: размерная цепь, допуск, электроинструмент, эксплуатационные характеристики.

Одной из задач, решаемых в процессе конструкторской и технологической подготовки производства, является отработка конструкции изделия на основе анализа размерных цепей. Эффективность производства и такие ее показатели, как трудоемкость, энергоёмкость, затраты, связанные с внедрением технологических процессов, во многом определяются подробностью проработки конструкции изделия и проектируемого технологического процесса. Кроме того, в результате совершенствования изделия при его производстве вносятся конструктивные изменения. Эти изменения влекут за собой модернизацию действующих технологических процессов, переделку технологической оснастки, оборудования и т.д. В результате удлиняются сроки освоения выпуска новых машин. Расчет и анализ размерных цепей является одним из обязательных этапов конструирования изделий. На основании выявления и анализа сборочных размерных цепей технолог может обоснованно выбрать метод сборки конкретного узла и изделия в целом, оценить влияние отдельных присоединительных размеров на характеристики получаемого соединения и выявить возможные причины возникновении брака на сборке. Отсутствие обоснованных расчетами технологических допусков не позволяет получить изделие с требуемыми показателями качества даже при наличии технологии и схемы сборки.

Теория проведения размерно-точностного анализа достаточно хорошо разработана многими авторами [1, 2, 3, 4, 5 и др.], отметившими, что важнейшей задачей при выполнении данного вида анализа конструкции является построение графических схем размерных цепей, трудоемкость построения которых может занимать от 20 до 80 часов [2, 6]. В то же время ряд авторов [2, 7, 8 и др.] отмечает недостатки применяемых на производстве методик выполнения размерно-точностного анализа, к которым относят

64

недостаточно точный учет в расчетах отклонений расположения поверхностей детали, необходимость уточнения методики построения (в некоторых случаях) размерных схем с заранее заданным направлением звеньев, а также расширение области применения САПР для построения размерных схем.

Опыт применения размерного анализа конструкций в условиях серийного производства машиностроительных изделий [6, 7, 8, и др.] показывает, что этот метод является действенным инструментом снижения затрат на обеспечение качества в их жизненном цикле [2, 9].

Конструктивные особенности электроинструмента, производимого на АО «Завод «ФИОЛЕНТ» (г. Симферополь), его долговечность и экономичность во многом определяются методами координации поверхностей, т. е. правильной расстановкой размеров, а также правильным выбором значений и методов задания допусков. Производственный опыт показывает, что благодаря обоснованному заданию размеров и допусков, не изменяя конструкцию изделия, можно не только снизить трудоемкость его изготовления, значительно повысить надежность, но и повысить потребительские характеристики.

Особенное влияние на эксплуатационные характеристики ручного электроинструмента оказывают поля допусков, назначаемые по стандартным методикам [10, 11]. В этих методиках, однако, не учитывается влияние таких факторов как: отклонения формы отдельных деталей, непараллельность осей и валов, некруглость посадочных отверстий под подшипники и др.; взаимное расположение поверхностей деталей (несоосность подшипников, несоосность корпусов, радиальное биение валов и др.; зазоры в резьбовых соединениях, а также то, что возможные комбинации предельных значений допусков составляющих звеньев сборочных размерных цепей, могут составлять неблагоприятные комбинации допусков их замыкающих звеньев, вызывающие возникновение дефектов при эксплуатации ручного электроинструмента. Например, при эксплуатации углошлифовальных машин МШУ производства АО «Завод «ФИОЛЕНТ» (г. Симферополь) (рис. 1) проявились такие недостатки конструкции, как повышенная шумность на холостом ходу (до 108...126 дБ при допустимом уровне шума - 90 дБ) и ускоренный износ зубьев конической зубчатой передачи. Анализ результатов испытаний серийных машин, проведенный в лаборатории предприятия с использованием шумомера АССИСТЕНТ SIU 30 и 3 координатной контрольно-измерительной машины WENZEL LH 108 показал, что основной причиной возникновения выявленных дефектов является смещение осей вращения зубчатой конической пары.

При выполнении размерного анализа конструкции электроинструмента решались следующие задачи: определение геометрических размерных связей между деталями и узлами конструкции, оценка и корректировка требований по взаимному расположению деталей и узлов, расчет допус-

65

ков и номинальных значений звеньев, проверка собираемости сборочных единиц и в целом изделия, обеспечение заданных значений его выходных характеристик.

Рис. 1. Конструкция машины шлифовальной угловой

На точность взаимного расположения деталей зубчатой передачи (рис. 1) влияют несколько сборочных размерных цепей, связанных друг с другом общими звеньями, при проектировании которых следует учитывать следующие возможные допуска на взаимное расположение поверхностей и на отклонения формы отдельных деталей, например:

смещение и поворот вала-шестерни вследствие радиального биения подшипников;

расстояния между осями отверстий в собранных корпусах; непересечение осей вращения конической зубчатой передачи; смещение вершины делительного конуса шестерни конической зубчатой передачи;

непараллельность осей валов цилиндрической зубчатой передачи. Следует отметить, что вышеперечисленные допуска на отклонения формы и взаимное расположение поверхностей деталей, входящих в сборочные размерные цепи, относятся к векторным и угловым размерным цепям [4, 12, 13], назначение допусков на замыкающие звенья которых не предусматривается стандартными методиками, применяемыми на предприятии и требует их расчета с учетом конструктивных особенностей выпускаемого электроинструмента.

Для рассматриваемой конструкции составляющими звеньями размерной цепи являются:

звено А1 - смещение и поворот оси вращения шестерни в следствии несоосности посадочного отверстия под подшипник 1, посадочной поверхности корпуса 4;

звено А2 - смещение и поворот оси вращения шестерни в следствии радиального биения подшипника 2 класса 6;

звено А3 - смещение и поворот оси вращения шестерни в следствии зазора между посадочным поверхностями корпусов 3 и 4;

звено А4 - смещение и поворот оси вращения шестерни в виду несимметричности посадочного отверстия под подшипник 1 в корпусе 4 и посадочного поверхности 9 этого же корпуса;

звено А5 - смещение и поворот оси вращения шестерни вследствие радиального биения переднего подшипника 1, класса 6;

звено А6- смещение и поворота оси вращения шестерни вследствие не пересечения осей посадочных отверстий под подшипники 1 и 5;

звено А7 - смещение и поворот оси вращения шестерни вследствие радиального биения подшипника 5;

звено А8 - смещение и поворот оси вращения шестерни вследствие зазора между посадочными поверхностями корпусов 4 и 6;

звено А9 - смещение и поворот оси вращения шестерни вследствие радиального биения шпинделя 7 во втулке 8;

звено А10 - смещение и поворот оси вращения шестерни вследствие зазора между концом шпинделя 7 и посадочным отверстием во втулке 8.

Размерные цепи шпиндельного узла и смещения осей конической зубчатой пары машины шлифовальной угловой показаны на рис. 2.

1-г

II—

.-Ja, .-1а, .-JU"

.-J-Aj

.-.и

.-.и

.-.и

_-_! А

а

б

Рис. 2. Размерные цепи машины шлифовальной угловой: а - шпиндельного узла; б - смещения осей конической зубчатой пары

Согласно ГОСТ 1758—81 величина допускаемого непересечения осей для данной конической пары (степень точности -7, среднее конусное расстояние i<Tc=38 мм, сопряжение В) fa= 0.018 мм. При расчете размерной цепи (рис. 2, б) величинаfa принимается как замыкающее звено. Все составляющие звенья Ai кроме звена А6 являются звеньями с векторными ошибками. Ошибка звена А6 по нашему мнению носит скалярный характер. В зависимости от расположения сопрягаемых деталей, передаточные отношения для звеньев с векторными ошибками определены по формулам:

67

• Щ а, //+/„ ^-а, аА „ 1п

= у- откуда с,7- = —-или — = у- откуда ы=~г,

+]п /у /у 1п /у /у

где ^ - передаточное отношение, - относительное смещение осей посадочных поверхностей (рассчитывалось по допускам, рабочим чертежам деталей); /„ - расстояния, определяющие взаимное расположение сопрягаемых деталей.

Результаты расчетов величин звеньев и передаточных отношений приведены в табл. 1.

Таблица 1

Величины звеньев и передаточные отношения размерной цепи

Звенья размерной цепи Aj А2 А3 Ад А5

Величина А, (мм) од 0.005 0,274 0.04 0,005

Передаточное отношение с^ 0.46 0.32 0,35 0.69 4.1

Звенья размерной цепи Аб А 7 а8 Ар Аю

Величина A¿ (мм) 0,3 0.005 0.125 0.005 0,02

Передаточное отношение с^ - 0.87 0.06 0.13 0.13

Непересечение осей зубчатой пары рассчитывалось по формуле

2 1 1 2 где - приведенный коэффициент рассеяния скалярных величин, 1,2;

Kxi - приведенный коэффициент относительного рассеяния векторных ве-

9

личин, Kxj=0,55 (значения коэффициентов принимались по [4, 14]).

Полученная расчетная величина непересечения осей для данной пары конических зубчатых колес fa=±0.045мм, показала необходимость корректировки допусков сопрягаемых поверхностей деталей изделия.

После корректировки полей допусков сопрягаемых поверхностей деталей (пп. 3, 4, 7 и 8) была произведена опытная партия электроинструмента в количестве 36 изделий и проведены производственные испытания. Анализ результатов испытаний показал, что выполненная по результатам размерного анализа корректировка допусков сопрягаемых поверхностей деталей позволила снизить уровень шума на холостом ходу на 19...31 % и уменьшить износ зубьев на 12... 17 % при наработке машины до 180 часов. Результаты сравнительных производственных испытаний уровня шума на холостом ходу приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты сравнительных испытаний уровня шума на холостом ходу

Модель MAKITA 9562CH BOSCH GWS 11-125 CIE DWTWS10-125 TV HAMMER USM 1050 С МШУ 7-14-150ЭМ

Уровень шума на холостом ходу, дБ 85,7 86.8 87,5 86,9 86,5...87,2

Выводы. Применение объективно-ориентированных методик расчета размерных цепей позволило повысить достоверность расчета размерных цепей и улучшить эксплуатационные характеристики электроинструмента. При расширении номенклатуры выпускаемого электроинструмента может быть существенно сокращено время на конструкторскую и технологическую отработку конструкции изделия.

Список литературы

1. Базров Б.М. Построение размерных цепей изделия с помощью графа модулей поверхностей // Вестник машиностроения. 2008. №7. С. 26-33.

2. Масягин В.Б. Совершенствование теории размерного анализа на основе кромочной модели деталей типа тел вращения: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук: 05.02.08. Омск, 2012. 40 с.

3. Changming Liang. Analysis of the Assembly Dimensional Chain About Automotive Exterior Parts and Optimization of Tolerance Allocation// Proceedings of SAE-China Congress 2014: Selected Papers. Editor — Society of Automotive Engineers оf China. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2015. Р. 235-244.

4. Солонин И.С., Солонин С.И.. Расчет сборочных и технологических размерных цепей. М.: Машиностроение, 1980. 110 с.

5. Huang M.F., Zhong Y. Dimensional and geometrical tolerance balancing in concurrent design // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008. №35. Р. 723-735.

6. Безъязычный Б.Ф., Непомилуев В.В. Некоторые проблемы современного сборочного производства и перспективы их преодоления // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. №8. С. 18-25.

7. Абрамов К.Н. Вопросы обеспечения точности изделий вспомогательного производства на основе анализа сборочных размерных цепей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2008. №5. С. 7-9.

8. Воронин А.В. Размерные цепи агрегатов в процессе сборки и эксплуатации // Автомобильная промышленность. 1977. №5. С. 32-34.

9. Wang Xiaohui, Ren Shouhua. Research on theory and applications of virtual tolerance // Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering. Vol.36, No.3, 2012. Р. 233-240.

10. Медарь, А.В. Точностной анализ в технологическом проектировании сборочных процессов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. № 1. С. 37-42. Там же. 2009. №2. С. 33-42.

11. Расторгуев Г. А. Расчет и анализ сборочной размерной цепи // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2008. № 11. С. 43-46.

12. Скворцов А.В., Скворцова Д.А., Чмырь Д.А. Статистическое моделирование векторных и скалярно-векторных размерных цепей // Изв. вузов. Машиностроение. 2007. №7. С. 41-48.

69

13. Кубарев А.И. Линейные и угловые размерные цепи. Расчет // Справочник. Инженерный журнал. 1998. № 7. С. 4-8. Там же. 1998. № 8. С. 2-6. Там же. 1998. №11. С. 2-7.

14. Мягков В. Д., Палей М.А., Романов А.Б. Допуски и посадки: справочник. Ч. 2. / под ред. В.Д. Мягкова. Л.: Машиностроение. 1979. 487 с.

Богуцкий Владимир Борисович, канд. техн. наук, доц., bogutskivb@yandex.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,

Шрон Леонид Борисович, канд. техн. наук, доц., shronlbamail.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,

Мануйленко Виктор Михайлович, главный инженер, ogtaphiolent. com, Россия, Симферополь, АО «ЗАВОД «ФИОЛЕНТ»,

Пянковская Мария Витальевна, студент, man\>n\>a425amail.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет

DIMENSIONAL ANALYSIS AS A TOOL FOR ENSURING OPERATING CHARACTERISTIC

OF POWER TOOLS

V.B. Bogutsky, L.B. Shron, V.M. Manuylenko, M. V. Piankovskay

The necessity of using object-oriented methods of dimensional analysis to the design and technological working off products on the example the dimensional analysis construction of power tools. Presented the results of tests power tools show, that the correction tolerances of conjugated surfaces of the parts, performed on the results of dimensional analysis, it possible to reduce the noise level at idle and reduce the wear the teeth of gears.

Key words: dimensional chain, the tolerance, power tools, operating characteristic.

Bogutsky Vladimir Borisovich, candidate of technical science, docent, boguts-kivbayandex.ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,

Shron Leonid Borisovich, candidate of technical science, docent, shronlbamail. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,

Manuylenko Viktor Michailovich, main engineer, ogt aphiolent. com, Russia, Simferopol, JSC «ZAVOD «PHIOLENT»,

Pyankovskaya Mariya Vitalievna, student, manynya425@mail. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University