Управление качеством изготовления коллектора с учетом технологической наследственности

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

УДК 621.7

Т. А. Дуюн, канд. техн. наук, доц., зам. декана,

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Рассмотрен вопрос технологического обеспечения качества контактной поверхности коллектора электродвигателей постоянного тока с учетом технологической и эксплуатационной наследственности. Представлена новая технология механической обработки контактной поверхности коллектора с использованием в качестве окончательного метода обработки поверхностного пластического деформирования обкатыванием вместо традиционного шлифования.

Ключевые слова: коллектор, электрическая машина, обеспечение качества, технологическая наследственность.

Повышение качества и надежности машин является первоочередной задачей машиностроения. Технологическое управление - один из основных методов повышения качества машин, зачастую более эффективный, чем конструктивные решения и надежная эксплуатация. Управление явлениями технологической наследственности путем обеспечения в технологических процессах заданных параметров качества и эксплуатационных свойств изделий является основой управления качеством машин.

Надежность электрических машин постоянного тока во многом определяется надежностью щеточно-коллекторного узла, являющегося одним из наиболее ответственных узлов коллекторных машин. Процесс коммутации в скользящем контакте щеточно-коллекторного узла является сложным процессом, а коллектор во время работы находится в напряженно-деформированном состоянии, обусловленном рядом воздействий: механических, физико-химических, тепловых и электромагнитных.

324

Для обеспечения качества коллектора и надежности его работы необходимо всесторонне исследовать эксплуатационные свойства, учитывая действие технологической наследственности. Это означает, что все операции и их технологические переходы следует рассматривать не изолированно, а во взаимосвязи, так как конечные характеристики формируются всем комплексом технологических воздействий и изменяются при эксплуатации.

В процессе изготовления коллектор проходит через ряд состояний, характеризуемых параметрами качества. Каждая операция технологического процесса приводит к изменению этих параметров. Процессом технологического наследования можно управлять, с тем, чтобы свойства, положительно влияющие на качество, сохранить в течение всего технологического процесса, а свойства, влияющие отрицательно, - ликвидировать в его начале.

Качество контактной поверхности коллектора (рис. 1) и точность его формы являются важнейшими показателями, влияющими на процесс коммутации.

Рис. 1. Конструкция коллектора двигателя постоянного тока:

1 - коллекторная пластина; 2 - изоляционная прокладка;

3, 4 - передний и задний нажимной конус; 5 - изоляционная манжета,

6 - гайка

Требования к шероховатости контактной поверхности коллектора регламентируются величиной Яа 0,2...0,8 мкм. Биение коллектора в готовой машине должно быть не более 0,03...0,04 мм. Половина этого значения обуславливается зазором подшипников и эксцентриситетом подшипниковых щитов, то есть на долю допустимого биения коллектора остается

0,007.0,01 мм (для машин средней мощности).

Механическая обработка контактной поверхности коллектора является важным и ответственным этапом в технологии изготовления коллектора, так как в ее процессе формируются необходимые показатели качества поверхности. Традиционная технология механической обработки включает: предварительную черновую, получистовую, чистовую токарную обработку и шлифование. Наиболее важным с технологической точки зрения является метод окончательной обработки, замыкающий технологический цикл. Традиционная технология предусматривает в качестве окончательного метода шлифование. Однако использование в качестве окончательного метода поверхностного пластического деформирования, например обкатывания роликом, является более эффективным. Метод поверхностного упрочнения можно рассматривать как «барьер» для ослабления воздействия отрицательных факторов технологической наследственности. Основной эффект состоит в том, что значительное количество микротрещин, находящихся в поверхностном слое металла, при пластической деформации смыкается и поверхность становится более цельной, поверхностный наклеп выравнивает физико-механические свойства различных участков поверхности. Любая прошлифованная поверхность всегда структурно неоднородна, что вызвано неодинаковым тепловым воздействием шлифовального круга на ее отдельные участки. На границах участков с различной структурой, а следовательно, и с различной микротвердостью возникают повышенные напряжения. Эти границы являются структурными концентраторами напряжений. Во время эксплуатации в этих местах могут оказаться микротрещины, а затем и питтинги. Поверхностный наклеп при обкатывании устраняет «структурную пестроту» и структурные концентраторы напряжений. Местные растягивающие напряжения подавляются вновь сознанными при обкатывании сжимающими напряжениями, весь поверхностный слой металла становится равнонапряженным, сжимающие напряжения обеспечивают меньший износ поверхности. Кроме того, при обкатывании микрогеометрия поверхности имеет большие радиусы закруглений выступов, чем при шлифовании, что способствует увеличению площади опорной поверхности, а следовательно, снижению износа и переходного сопротивления скользящего контакта.

На надежность коллектора оказывает влияние большое количество факторов различного характера. Однако из множества этих факторов необходимо выделить только те, которые формируется в процессе выполнения

326

технологических операций и которыми можно управлять, используя технологические параметры, режимы и условия. Выделим шесть основных параметров, влияющих на надежность работы коллектора с точки зрения технологической наследственности:

1. Точность формы контактной поверхности.

2. Шероховатость контактной поверхности.

3. Волнистость контактной поверхности.

4. Твердость контактной поверхности.

5. Структура поверхностных слоев контактной поверхности (микротвердость).

6. Напряжения поверхностных слоев контактной поверхности.

Точность формы и волнистость контактной поверхности оказывают

непосредственное влияние на надежность, так как любые погрешности формы изменяют условия контакта щеток с коллектором, могут вызвать увеличение падения напряжения в контакте и как следствие, расстройство коммутации, превышение предельной температуры, нежелательное изменение свойств изоляции и другие серьезные нарушения работы.

Шероховатость и твердость контактной поверхности определяют условия трения щеток о коллектор. Неоптимальные значения этих параметров могут вызвать как повышенный износ контактной поверхности, так и повышенный износ щеток. Оба варианта являются неблагоприятными для условий коммутации. Продукты износа будут действовать как абразив, попадая в скользящий контакт, и увеличивать интенсивность износа, кроме того, попадая в межламельное пространство, они могут вызвать пробой соседних коллекторных пластин. Износ щеток также изменяет условия контакта, ослабляя прижим и увеличивая переходное сопротивление контакта. Оптимальные значения шероховатости и твердости обеспечивают короткий период приработки контакта и его надежную эксплуатацию.

Структура, микротвердость и напряжения поверхностных слоев также оказывают значительное влияние на надежность, так как определяют условия трения в период нормального износа в течение продолжительного времени работы. С течением времени скользящий контакт неизбежно подвергается износу и от структуры, микротвердости и напряжения поверхностных слоев зависит интенсивность и условия процесса износа.

Представим модель формирования перечисленных шести основных параметров качества контактной поверхности коллектора в виде графа (рис. 2), который предусматривает, с одной стороны, последовательность операций технологического процесса по формированию данной поверхности, а с другой - параметры качества и их изменение в ходе технологического процесса.

1 к

сЗ

И н

си си

« «

И си

Й к

О в

си си

о

№ К

О К

к си

О- си О

н

си о И о си к к

н си

о Еґ

к о

ЇҐ н

ы

оо

Твердость

Структура

Шероховатость

Напряжения

Волнистость

Точность формы

Рис. 2. Граф формирования параметров качества контактной поверхности коллектора

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3

Граф показывает также изменение этих параметров в процессе работы под влиянием эксплуатационных режимов.

Каждая вершина графа отображает одно из свойств, изменяющееся в ходе технологического процесса.

Граф имеет двусторонне ориентированные, односторонне ориентированные и неориентированные ребра. Ориентированные ребра показывают изменение свойств между предыдущей и последующей операциями. Ориентированные ребра характеризуются передачей ребра, то есть коэффициентом, показывающим количественное изменение свойства. Неориентированные ребра означают, что изменение определенного свойства не происходит.

Двусторонне ориентированные ребра имеют место между окончательной операцией технологического процесса и этапом эксплуатации и означают, что исследуемые параметры качества, с одной стороны, являются результатом технологического процесса изготовления, а с другой - результатом режимов и условий эксплуатации. Таким образом, через данные параметры осуществляется обратная связь условий эксплуатации с условиями технологического процесса.

Технологический процесс изготовления коллектора рассмотрим как структурную систему, основной структурной ячейкой которой является операция.

Общую структуру технологического процесса представляем как сложную многомерную систему, на вход которой поступают различные характеристики комплектующих деталей (Х10, Х20, ., Х60).

А на выходе обеспечивается соответствующий набор тех же характеристик для готового коллектора (Х15, Х25, ., Х65).

Изменение указанных характеристик в процессе изготовления коллектора обусловлены действием совокупности технологических факторов для каждой операции технологического процесса.

Явление технологической наследственности проявляется в виде зависимости

Xр — кр-1Хр _1,

где Хр и Хр-1 - параметры качества изделия после действующей и предшествующей операции соответственно; кр - коэффициент технологической наследственности предшествующей операции.

Таким образом, могут быть получены зависимости для всех операций технологического процесса.

Общая математическая модель изменения параметров качества коллектора для всего технологического процесса будет иметь вид

X14 = k101k112k123k134 X10;

X 24 = k1121X11k4022X40k5022X50k223k234X22k3223X32k3324X33;

X34 = k323k334X32;

X 44 = k402X40k423k5243 X52k434k5344X53;

X 54 = k502X50k523k6253X62k534k6354X63;

X 64 = k623k634X62-

Отдельной задачей является расчет параметров качества и коэффициентов технологической наследственности на отдельных операциях технологического процесса, а также определение связей между параметрами качества и технологическими воздействиями, что существенно усложняет решение. В связи с большим числом переменных может быть использован метод многоуровневого итерационного проектирования технологического процесса, который состоит в разделении процесса проектирования на ряд различных по детализации уровней и разбиении на каждом уровне общей задачи на несколько более простых задач с взаимной оптимизацией решений между подзадачами одного и разных уровней.

В качестве оценочной функции может быть использована себестоимость технологической операции. В ряде случаев целесообразно применить в качестве критерия оптимизации функциональную зависимость эксплуатационного свойства от технологических факторов обработки.

Список литературы

1. Технологические основы управления качеством машин / А. С. Васильев [и др.]. М.: Машиностроение, 2003. 256 с.

2. Рыжов Э. В., Горленко О.А. Математические методы в технологических исследованиях. Киев: Науковадумка, 1990. 184 с.

T. Dujun

QUALITY CONTROL OF MANUFACTURING OF THE MOTOR COLLECTORS SUBJECT TO THE TECHNOLOGICAL HEREDITY

The technological maintenance of quality of the contact surface of electric-motor collectors with the account of technological heredity is considered. A new machining technology of the contact surface is presented. A final hardening instead of the traditional grinding is used.

Key words: collector, direct-current motor, quality maintenance, technological heredity

Получено 27.01.10