Исследование и разработка методов ориентации деталей по отклонениям от круглости при сборке высокоточных цилиндрических соединений

Развитие современного машиностроения характеризуется неуклонным повышением требований к точности и надежности выпускаемых машин. Обеспечение этих условий возможно на основе создания высокоточного металлообрабатывающего оборудования, всемерного совершенствования технологии изготовления и сборки изделий. В" Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года" подчеркнуто, что необходимо повысить точность металлообрабатывающих станков не менее чем на 20−30%.

В производстве машин большой резерв повышения их точности и роста выпуска имеет этап сборки. Например, при производстве высокоточных станков трудоемкость сборки нередко достигает 55−60% [ 10 ] из-за преобладания на сборке ручного труда высокой квалификации и трудностей обеспечения требуемой точности изделий, особенно соединений с натягом. Неподвижные посадки широко используются при установке подшипников, кондукторных втулок, направляющих элементов, стаканов, гильз и т. д.

Значительное влияние на качество изделий оказывают отклонения формы рабочих поверхностей высокоточных соединений, которые регламентируются в технических условиях величинами микрометрического уровня. Они резко ухудшают такие показатели качества станков, как долговечность, точность обработки, увеличивают вибрацию, износ и т. д. В результате сборки исходная точность формы теряется и изделие подвергается разборке и повторной сборке или дополнительно обрабатывается. Изменение точности формы поверхностей деталей во многом определяется сочетанием отклонений формы их сопрягаемых поверхностей при сборке. До настоящего времени методы управления точностью формы ответственных поверхностей при сборке не нашли ещё должного освещения. Рекомендации по использованию существующих методов ориентации деталей по отклонениям формы носят противоречивый характер, существует неопределенность в оценке их эффективности, отсутствуют научно-обоснованные критерии выбора параметров ориентации. Вышесказанным определяется актуальность решения проблемы обеспечения точности изделий при снижении трудоемкости сборки и необходимость проведения дополнительных исследований.

Целью данной работы является разработка методов управления точностью формы ответственной поверхности изделий при сборке на основе более глубокого изучения технологической наследственности отклонений формы.

Научная новизна и значимость представленной работы заключается в выявлении сущности и особенностей технологического наследования отклонений формы при сборке высокоточных неподвижных соединений. Впервые получены точные аналитические зависимости для прогнозирования формы ответственной поверхности при их сборке. Разработаны основные принципы проведения сборки с ориентацией по отклонению от круглости и новый метод ориентирования деталей. Предложены критерии, позволяющие оценить эффективность методов ориентации и установить возможности их использования при сборке высокоточных соединений с натягом. Разработаны конструкции автоматических устройств для сборки с ориентацией и определены их технологические возможности.

На защиту выносятся аналитические решения для прогноза точности сборки высокоточных цилиндрических соединений с натягом, технология и методика сборки с ориентацией по отклонениям от круглости всех поверхностей собираемых деталей, принципиальная структура автоматизированного участка сборки подобных соединений и устройство для ее выполнения.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

— диаметр (радиус) отверстия охватываемой детали. с1о (Го) — диаметр (радиус) посадки. оСго) -Диаметр (радиус) посадочной поверхности охватываемой детали. ?о (Го)-диаметр (радиус) посадочной поверхности охватывающей детали. ^2(^2) — диаметр (радиус) нарукной поверхности охватывающей детали, д — натяг в соединении. Н1 — толщина стенки охватываемой детали. I/ - толщина стенки охватывающей детали.

1 ~ отклонение от круглости ответственной поверхности тонкостенной детали (отверстия и наружной поверхности соответственно). 8дотклонение от круглости посадочной поверхности охватываемой детали. § д-отклонение от круглости посадочной поверхности охватывающей детали. сб у §-2сботклонение формы в поперечном сечении ответственной поверхности соединения корпус-тонкостенная деталь и вал-тонкостенная деталь соответственно, еэксцентриситет наружной и внутренней поверхностей тонкостенной детали. ос=гч/г0- ?>= г2/г0 -коэффициенты, характеризующие размеры деталей, сртекущий угол в полярной системе координат. П0, п1, т-,. — коэффициенты ряда Фурье. l — номер гармоники.

Si — амплитуда 1-й гармоники. pLначальная фаза 1-й гармоники.

8 -угол ориентации деталей по отклонениям от круглости. 8оптоптимальный с точки зрения точности сборки угол ориентации деталей, коэффициент наследования для 1-й гармоники. 6″ г, Gipj^rq) — нормальное, окружное и касательное напряжения в полярных координатах. U, Vрадиальные и окружные перемещения точек тела соответственно.

Un7 vnрадиальные и окружные перемещения соответственно от отклонений от круглости посадочных поверхностей, ф — функция напряжений Эри.

Q0, &o, c0, d0, а'0, ai, bl, cl, dlпроизвольные постоянные функции ¿-эр и. Е',^', Е", тГи — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала охватываемой и охватывающей деталей соответственно. Е0= Е, У0 =Т — для условий плоского деформированного состояния.

Е0=Е (l+2-r)/0+f)2 — V" 0 = V" /(1 + V) — для условий плоского напряженного состояния. G — модуль упругости при сдвиге. Щ — коэффициент толстостенности. коэФФициент голстостенности охватываемой и охватывающей деталей соответственно, ё — смещение центров деталей при сборке.

ВЫВОДЫ.

1. Управление точностью формы ответственной поверхности на этапе сборки высокоточных цилиндрических соединений с натягом возможно за счет применения радиальной параметрической ориентации деталей. Установлено, что при сборке реальных деталей с РПО для получения соответствующего эффекта необходимо учитывать первоначальные отклонения от круглости всех их поверхностей.

2. В процессе сборки соединения с натягом происходит неравномерная радиальная деформация тонкостенной детали, которая в случае наличия натяга в соединении большем, чем суммарная величина отклонения от круглости посадочных поверхностей, зависит от исходных отклонений от круглости этих поверхностей, взаимной ориентации деталей при сборке, их размеров и конструктивного вида, а также материалов, из которых они изготовлены.

3. Сборку высокоточных соединений с натягом целесообразно проводить с применением разработанного полигармонического метода РПО. Он обеспечивает уменьшение отклонения от круглости ответственной поверхности соединения в 2.3 раза. Данный метод дает возможность определять оптимальный угол ориентации с большей точностью, чем по другим методам.•.

4. Эффективность сборки с применением РПО зависит от соотношения параметров амплитудно-фазового спектра отклонений формы поперечного профиля посадочных и ответственной поверхностей собираемых деталей. Метод РПО эффективно влияет на точность формы ответственной поверхности соединения при соотношении амплитуд одноименных гармоник посадочных поверхностей в пределах 0,3.5,5.

5. Для сборки высокоточных соединений метод РПО по максимальным биениям применять не рекомендуется. Метод сдвига начальных фаз доминирующих гармоник может быть использован только в частных случаях, характеризуемых наличием ярко выраженной гармоники одного номера на поверхностях собираемых деталей и условии, что отклонение от круглости посадочной поверхности тонкостенной детали мало по сравнению с точностью других поверхностей. Ориентация деталей по разностенности, оказывающей влияние на точность изделия, допустима при эксцентриситете тонкостенной детали более 12.15 мкм.

6. Прогнозирование формы поперечного профиля ответственной поверхности высокоточных цилиндрических соединений с натягом целесообразно проводить на основе разработанных теоретических моделей технологического наследования отклонений от круглости. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при сборке большинства реальных соединений корпус-кольцо коэффициент наследования гармоник с малым номером (I = 2, 3, 4-, 5) может быть больше единицы, а при сборке соединений вал-кольцо коэффициент наследования всегда остается меньше единицы.

7. Расчет оптимального угла ориентации по полигармоническому методу и прогнозирование точности сборки рекомендуется осуществлять с учетом наличия касательных напряжений на поверхностях контакта. При отклонении от круглости посадочных поверхностей деталей менее 0,2−0,3 мкм этот расчет можно проводить без учета касательных напряжений.

8. Сборку высокоточных цилиндрических соединений с натягом с ориентацией по полигармоническому методу РПО целесообразно проводить в условиях разработанного автоматизированного сборочного комплекса с использованием современных средств контрольно-измерительной и вычислительной техники.

9. Разработанное оригинальное сборочное устройство позволяет надежно собирать соединения с гарантированным сборочным зазором до 10 мкм при начальном несовпадении центров деталей 1,5−2 мм.

10. Проведение сборки отделочно-расточных головок с ориентацией по полигармоническому методу позволило уменьшить в 2 раза радиальное биение шпинделя и на 10.15% снизить уровень вибрации.

11. В результате проведенных исследований разработаны рекомендации по использованию различных методов РПО при сборке высокоточных соединений с натягом в станкостроении. Внедрение разработанных рекомендаций дало экономический эффект 1170 руб. на одном станкостроительном заводе.