Технологическое обеспечение качества сборочных единиц на основе анализа размерных связей с применением CALS-технологий

УДК 621.75

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАЗМЕРНЫХ СВЯЗЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ CALS-ТЕХНОЛОГИЙ

Е.А. Польский, О.А. Никонов, Г.П. Пилипчук

Приводится методика непрерывной компьютерной поддержки технологического обеспечения качества сборочных единиц на основе автоматизированных подсистем проведения размерного анализа для основных этапов жизненного цикла, позволяющих анализировать технологические, сборочные и эксплуатационные размерные связи в конструкциях машин.

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

Точность является одним из важнейших показателей качества многих машин. Кроме того, точность расположения функциональных поверхностей косвенно оказывает влияние и на многие другие параметры и характеристики машин (параметры служебного назначения, надежность, эксплуатационные свойства поверхностей и т.п.), поэтому дальнейшее совершенствование методов размерного анализа конструкций и технологических процессов является актуальной задачей.

Традиционным считается выполнение анализа размерных связей при проектировании в два этапа [1, 2, 3]: расчет конструкторских размерных цепей и расчет технологических размерных цепей.

Постоянное повышение требований к качеству проектирования, при одновременной необходимости ускорения темпов выполнения этих работ, приводит к необходимости параллельной разработки документации при выполнении мероприятий конструкторско-технологической подготовки производства и создания единых конструкторско-технологических отделов. В результате создаются предпосылки реализации принципа одноступенчатого проектирования - технологического обеспечения требуемых эксплуатационных показателей машин и их надежности при одновременном проектировании технологии механической обработки с уточнением параметров сборки.

Принцип одноступенчатого 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.

Необходимость повышения качества продукции и, в частности, надежности требует полного анализа работы узла на этапах проектирования. Следует учитывать не только функциональные параметры, но и техноло-

86

гические возможности производства и сборки машины, возможности контроля основных ее параметров и их изменение в процессе последующей эксплуатации.

На рис. 1, а приведен пример размерной цепи, формирующей осевой зазор между торцом зубчатого колеса и простановочным кольцом. Этот зазор является конструкторским требованием по обеспечению работоспособности узла.

а б

Рис. 1. Формирование точности функционального размера: а - простая конструкторская размерная цепь; б - конструкторская размерная цепь, с включенными в нее эксплуатационными звеньями

При эксплуатации размерные связи не остаются постоянными [1, 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.

На рис. 1, б изображены несколько дополнительных эксплуатационных звеньев. Так, в процессе сборки при затяжке фиксирующей гайки возникают усилия, приводящие к определенной величине контактных дефор-

маций. Также в процессе эксплуатации имеет место изнашивание торцов блока-шестерни и оси, причем характер износа для двух торцов будет различным, учитывая реальное распределение эпюры давления в зоне контакта.

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 [4].

При обработке хребтовой рамы железнодорожного вагона основной особенностью является включение в анализ размерных связей компенсации теплового деформирования исходного полуфабриката в результате выполнения сварочных операций и сверления системы отверстий большого диаметра (рис. 2).

Рис. 2. Модель хребтовой рамы с установленными элементами

и отверстиями

В результате объединения размерных цепей с учетом формирования каждого типа размеров могут быть назначены предельные отклонения исходных размеров [1, 2]:

п т I

ТД = Х С1ТБ1 + Х С]квнут]квнеш]кТээк + Х СкквнуткквнешккТээк , (1) I ] к

где с - коэффициенты передаточных отношений; Ts, - 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, планируемые 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 осциллирующих движений, например вследствие вибраций, происходит изнашивание. Взаимное внедрение поверхностей в результате изнашивания приводит к самоустановке деталей. При этом величина внедрения U1 и U2 и возможный перекос поверхностей можно описать уравнением плоскости в пространстве:

Ui + U2 =Pi* + Р2 У + Umin,

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

Коэффициенты pi и р2 и параметр Umin для такой расчетной схемы можно определить как

bl = бР^+к^

ab

b2 = 6pkI±^

ab

Umin = P

ab

где ki, k2 - коэффициенты износа, характеризующие фрикционные свойства; Р, V, t, lPx, lPy - параметры эксплуатации сопряжения; а, b - геометрия сопряжения.

Из полученных выражений выделяются параметры характеризующие внешние факторы эксплуатационных размеров квнеш. Аналогичным образом выделяется параметры определяющие внутренние факторы квнут j и далее относительного определенного единичного или комплексного параметра качества поверхностного слоя выполняется решение задачи.

Выделение из эксплуатационного допуска квнеш j и квнут j удобно при выполнении прямой задачи размерного анализа. Вместе с коэффициентами передаточных отношений, эти новые коэффициенты позволяют сравнивать относительную значимость воздействия различных эксплуатационных звеньев на точность замыкающего звена. Другими словами, можно видеть,

к каким поверхностям предъявляются более высокие требования (по точности для обычных технологических звеньев и по параметрам качества поверхностного слоя для эксплуатационных звеньев).

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 - 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.

В настоящий момент на этапе технологической подготовки производства подбор технологических баз и перераспределение допусков между операционными размерами также выполняется. Однако предлагаемая концепция отличается от используемых в данный момент методов тем, что появляется возможность уже при конструировании узла определять и закладывать технологию изготовления.

Для всех свободных поверхностей, которые не выполняют никаких определенных функций в конструкции узла, конструкторские размерные цепи не формируются. Таким образом, при решении расчетной схемы эти поверхности автоматически получат размеры от принятых технологических баз. При проработке технологических процессов это гарантированно позволяет избежать включения в технологические размерные цепи неответственных размеров.

При решении размерных цепей сборочного узла может быть получено большое количество размерных уравнений, поэтому подобный анализ следует выполнять с использованием ЭВМ и соответствующего программного обеспечения.

Разработанная система позволяет учитывать целый ряд технологических параметров и получать оптимальный набор технологических баз для заданных начальных условий. Поиск оптимального набора выполняется на основе исходной информации о конфигурации деталей, особенностях выбранных технологических баз, вида операций технологических процессов, технологических возможностей в обработке отдельных поверхностей деталей и других параметров. В результате выполняется определение коэффициентов технологичности баз и возможных технологических (операционных) размеров.

Поиск допусков технологических размеров и параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающих необходимые значения эксплуатационных свойств, следует выполнять методами математического программирования. В качестве целевой функции обычно выбирают себестоимость изготовления и эксплуатации узла, но при необходимости можно исполь-

зовать функцию, характеризующую требуемую надежность, функцию производительности или любую другую функцию, описывающую необходимый критерий оптимальности.

Следовательно, решение задачи будет сведено к системе

Здесь F - целевая функция, используемая для оптимизации параметров размерной цепи; С - матрица, содержащая передаточные коэффициенты составляющих звеньев цепи; TSkz - вектор искомых параметров составляющих звеньев; TD — вектор допусков исходных параметров узла; г - звенья припусков на механическую обработку.

Размеры, входящие в размерную цепь, необязательно являются независимыми величинами. Между ними могут существовать различного рода связи. Например, обычные технологические размеры деталей, изготовленных с применением одного и того же приспособления, инструмента или на одном и том же настроенном оборудовании, часто имеют корреляционную связь. Корреляция оказывает дополнительное воздействие при расчете допуска замыкающего звена вероятностным методом [2]:

где I - порядковый номер зависимых величин внутри каждой группы; 7 - порядковый номер групп зависимых величин.

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 точность, проектируемых машин и отдельных сборочных единиц. Применение численной 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 трудно реализуемыми размерами.

В рассмотренной методике размерного анализа и расчёта размерных цепей размерная структура техпроцесса представляется в двух основных видах: в виде размерной схемы и в виде размерного графа, объединяющего размеры детали, заготовки и техпроцесса

где Gдет - граф конструкторских размеров детали; Gзаг - граф конструкторских размеров исходной заготовки; Gтех - граф технологических размеров и припусков ТП механической обработки.

F = / ^, %э, г)  шт СТ8Ь £ ТЛ

¿,7 7=1ч г=2 )

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 не возможна

Размерно-точностной анализ технологического процесса оптимизируется по критериям минимизации припуска и (или) миниммуму рабочих ходов при различных схемах простановки операционных размеров.

Генеративный подход к разработке технологии подразумевает автоматический синтез стратегии обработки на основании геометрической конфигурации и технических требований, предъявляемых к детали, с указанием сведений о материале, особенностях обработки и предлагаемых методиках контроля изделия.

Такой подход позволит решить задачу автоматизированного проектирования структуры технологической операции с генерацией рекомендаций по оптимальному назначению, как стратегии обработки элементарной поверхности, так и по траектории движения инструмента с разработкой управляющей программы для системы ЧПУ.

Комплексное решение конструкторско-технологических задач обеспечения требуемой точности размеров деталей на основных этапах жизненного цикла изделия возможно на основе концепции автоматизированной подсистемы технологической подготовки производства, обеспечивающей 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).

Список литературы

1. Ильицкий В.Б., Польский Е.А., Филькин Д.М. Модель обеспечения качества сборочных единиц на основе анализа размерных связей // Справочник. Инженерный журнал. М.: Машиностроение, 2010. №4 (157). С. 51-56.

2. Польский Е.А., Филькин Д.М. Модель комплексного анализа размерных связей для обеспечения точности сборочных соединений // Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». ОрелГТУ, Орел. 2009. №5/277 (576). С. 59-66.

3. Инженерия поверхности деталей / под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение. 2008. 320 с.

4. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Расчет допусков размеров. М.: Машиностроение, 2001. 304 с.

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

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

Пилипчук Григорий Петрович, генеральный директор, polski. eugene@hotmail. com, Россия, Орск, ООО «Орский вагонный завод»

PROVIDING QUALITY OF ASSEMBLY ON THE BASIS OF DIMENSIONAL ANALYSIS

UNITS USING CALS-TECHNOLOGIES

E.A. Polski, O.A. Nikonov, G.P. Pilipchuk

The paper deals with the technique of continuous computer support for providing quality of assembly units on the basis of automated subsystems of dimensional analysis for major stages of life cycle which allow to analyse technological, assembly and operational dimensional constraints in machine designs. There are given scientific approaches to provide technological durability of machine components on the basis of the analysis of dimensional constraints arising on the major stages of a product life cycle. There is also described the method to optimize the production step by designing the strategy of elementary surface machining when realising it at modern multiprocessing machines to form the required service properties of elementary surfaces taking into account changes of their dimensional parameters while assemblying and using. Single-stage provision of the required accuracy of operational performance is possible to achieve in the process of realisation. The research is based on providing continuous analysis of dimensional constraints on the major stages of a life cycle (design, production, assembly and operation of a product) united into one automated subsystems of engineering calculation calculations (MES-system) to provide machine service life established in engineering requirements.

Key words: accuracy, admission, dimensional analysis, modeling of technological process, operational properties, durability, technological support ofparameters of quality.

Polski Evgeny Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, managing department, polski.eugene@hotmail.com, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Nikonov Oleg Aleksandrovich, chief technologist, polski. eugene@hotmail. com, Russia, Bryansk, JSC "Bryansk Engineering Plant Management Company",

Pilipchuk Grigory Petrovich, CEO, polski. eugene@hotmail. com, Russia, Orsk, LLC "Orsk Carriage Plant"