Экономично использовать метод групповой взаимозаменяемости для малозвенных размерных цепей, к точности замыкающих звеньев которых предъявляются высокие требования. 1 страница

Возможность значительного расширения полей допусков составляющих звеньев и доведение их до экономически достижимых значений делает этот метод в ряде случаев единственно приемлемым для производства высокоточных изделий (отдельных видов подшипников, соединений пальцев и поршней двигателей и т.п.).

При определении экономической эффективности данного метода необходимо учитывать дополнительные расходы, необходимые для точного измерения и сортировки деталей на группы, четкой организации хранения и доставки рассортированных деталей на сборку, исключения путаницы деталей при сборке. Организационные трудности и расходы возрастают с увеличением числа звеньев в размерных цепях и групп сортируемых деталей. Этим и объясняется ограничение области применения метода для малозвенных размерных цепей и стремление иметь число n возможно меньшим.

При достижении точности замыкающего звена методом групповой взаимозаменяемости необходимо соблюдать еще некоторые условия.

Первым из них являются требования к точности формы и относительного поворота поверхностей деталей, соответствующие не производственным (расширенным) допускам на размеры, а групповым допускам, т.е. . Объясняется это тем, что точность замыкающего звена при методе групповой взаимозаменяемости характеризуется полем допуска , а не . Ему и должно соответствовать ограничение допусками отклонений формы и относительного поворота поверхностей деталей, образующих составляющие звенья размерной цепи.

Вторым требованием, во многом определяющим экономичность метода групповой взаимозаменяемости, является идентичность формы, и расположения кривых рассеяния отклонений относительно полей допусков. Только при соблюдении этого условия будет обеспечиваться комплектность изделий (рис.10.3 а), не будет избытка одних и нехватки других деталей в группах, т.е. случая, показанного на рис. 10.3, б.

Это требование создает дополнительные трудности для изготовителей деталей, которые должны не только соблюдать допуски, но и управлять законами распределения отклонений выдерживаемых размеров.

Рис.10.3. Влияние формы и положения кривых рассеяния на собираемость изделий

10.2. Метод пригонки

Сущность метода пригонки заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера компенсирующего звена путем удаления с него определенного слоя материала.

При достижении точности замыкающего звена методом пригонки на все составляющие звенья размерной цепи устанавливают целесообразно достижимые (экономичные) в данных производственных условиях допуски:

; .

Значения полей допусков, установленные вне связи с заданным значением поля пуска замыкающего звена, могут привести к тому, что отклонения замыкающего звена будут выходить за его пределы, т.е.

.

Избыток погрешности на замыкающем звене, наибольшее значение которого называют наибольшей расчетной компенсацией , должен быть удален из размерной цепи путем изменения значения заранее выбранного компенсирующего звена.

При выборе в размерной цепи компенсатора руководствуются следующими соображениями.

1. В качестве компенсатора выбирают деталь, изменение размера (являющегося одним из составляющих звеньев) которой при дополнительной обработке требует наименьших затрат.

2. Недопустимо в качестве компенсатора выбирать деталь, размер которой является общим составляющим звеном параллельно связанных размерных цепей. Нарушение этого условия приводит к возникновению погрешности, «блуждающей» из одной размерной цепи в другую.

Произвольное назначение координат середин полей допусков составляющих звеньев может привести к тому, что у компенсатора не окажется нужного запаса материала для пригонки. Для того чтобы обеспечить на компенсаторе минимально необходимый слой материала (припуск) для пригонки, и в то же время достаточный для устранения максимального отклонения замыкающего звена, в координату середины поля допуска компенсирующего звена необходимо ввести поправку .

Пусть в трехзвенной размерной цепи (рис.10.2) требуемая точность замыкающего звена характеризуется величинами и ; и - поля допусков составляющих звеньев, экономически целесообразные для данных производственных условий; и - координаты середин полей допусков.

При этих допусках отклонения замыкающего звена возможны в пределах при координате середины поля допуска . Наибольшее возможное отклонение отстоит от верхней границы на величину (рис.10.4), значение которой может быть определено следующим путем:

;

;

.

Отсюда

.

Рис.10.4. Схема определения поправки

Основным преимуществом метода пригонки является возможность изготовления деталей с экономичными допусками. Методом пригонки может быть обеспечена высокая точность замыкающего звена. Однако пригоночные работы в основном выполняются вручную и требуют высококвалифицированных рабочих.

10.3. Метод регулирования

Сущность метода заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается изменением размера компенсирующего звена без удаления материала с компенсатора.

Принципиально в своей сущности метод регулирования аналогичен методу пригонки. Различие между ними заключается в способе изменения размера компенсирующего звена.

Различают регулирование с помощью подвижного и неподвижного компенсатора.

Достижение точности зазора с применением подвижного компенсатора представлено на рис.10.5 а, а с применением неподвижного компенсатора на рис.10.5 б.

Рис.10.5. Достижение точности зазора : а) – с применением подвижного компенсатора; б)- с применением неподвижного компенсатора

Допуски при методе регулирования назначают так же, как при методе пригонки: устанавливают экономически приемлемые для данных производственных условий поля допусков и координаты их середин .

При применении подвижного компенсатора определяют , которое учитывают при разработке конструкции подвижного компенсатора и определении его разрешающей способности.

При применении неподвижного компенсатора приходится считаться с тем, что неподвижный компенсатор не в состоянии скомпенсировать собственное отклонение. Поэтому

; ,

где m — 2 означает, что при суммировании значения и компенсатора не учтены.

Следовательно, .

Далее необходимо определить число ступеней компенсаторов и их размеры.

,

где — поле допуска, ограничивающее отклонения размера компенсатора.

Для метода регулирования характерны следующие преимущества.

1. Возможно достижение любой степени точности замыкающего звена при целесообразных допусках на все составляющие звенья.

2. Не требуется больших затрат времени на выполнение регулировочных работ, которые могут быть выполнены рабочими невысокой квалификации.

3. Не создается сложностей при нормировании и организации сборочных работ.

4. Обеспечивает машинам и механизмам возможность периодически или непрерывно и автоматически сохранять требуемую точность замыкающего звена, теряемую вследствие изнашивания, теплового и упругого деформирования деталей и других причин.

Преимущества метода регулирования особо ощутимы в многозвенных размерных цепях. Введение в конструкцию машин и механизмов компенсаторов облегчает обеспечение точности замыкающих звеньев не только в процессе изготовления, но и в процессе эксплуатации машин, что положительно отражается на их экономичности.

Завершая рассмотрение методов достижения требуемой точности замыкающего звена, отметим, что теоретико-вероятностные расчеты, присущие методу неполной взаимозаменяемости, могут быть с успехом применены в методах групповой взаимозаменяемости, пригонки и регулирования. Например, использование при суммировании значений производственных полей допусков теоретико-вероятностного метода приведет к меньшему значению , а, в конечном счете, - к меньшему числу ступеней компенсаторов и повышению экономической эффективности метода регулирования, хотя это и будет связано с некоторым риском.

ЛЕКЦИЯ 11

11. Построение системы множеств связей свойства материалов и размерных связей в процессе проектирования машины

Машина создается для выполнения конкретного технологического процесса и должна обладать необходимым качеством и быть экономичной.

Обеспечение качества машины начинается с формулировки ее служебного назначения, то есть определения и описания задач, которые должна решать машина и условий, в которых ей предстоит работать, требуемого технико-экономического уровня и так далее.

Конструкция машины представляет собой сложную систему двух множеств связей – свойств материалов и размерных связей. Построение такой системы происходит в процессе проектирования машины. При этом реализуется органическая связь свойств материалов деталей, составляющих машину, формы, размеров, относительного положения их поверхностей и самих деталей с показателями служебного назначения машины.

Таким образом, началом формирования качества машины является формулировка ее служебного назначения.

11.1.Формулировка служебного назначения

Служебное назначение представляет собой четко сформулированную задачу, для решения которой создается машина. Задача при этом максимально «раскрывается» (расшифровывается), с тем, чтобы конкретизировать:

· назначение машины,

· условия эксплуатации, а также определить требования обусловливающие соответствие машины в техническом, экономическом, эргономическом и эстетическом смысле современному уровню.

Служебное назначение машины включает в себе не только словесное описание, но и систему количественных показателей с допусками. Наибольшая сложность в формулировании служебного назначения машины составляет конкретизация ее функций и условий работы, правильное определение значений показателей и допусков.

При уточнении служебного назначения используют следующие источники.

1. Подробные данные о свойствах продукции (вид, материал, размеры, масса, требования к качеству и так далее) для выпуска которой создает машину.

2. Данные о количестве выпуска продукции в единицах времени и по неизменным чертежам ( ).

3. Требования к стоимости продукции.

4. Данные об исходном продукте (вид, качество, количество и так далее).

5. Сведения о технологическом процессе изготовления продукции.

6. Требования к производительности.

7. Условия, в которых должен осуществляться технологический процесс (температура, влажность, запыленность, наличие активных химических веществ и так далее).

8. Требования к надежности машины.

9. Требования к долговечности.

10. Требования к уровню механизации и автоматизации.

11. Условия безопасности работы и обслуживания, удобство управления.

12. Требования к внешнему виду.

13. Вид, качество, количество, источник потребляемой энергии и так далее.

Перечисленные направления конкретизации неполные, так как формулировка служебного назначения каждой машины сугубо индивидуально, специфична и имеет свою систему показателей.

11.2. Сущность задачи, решаемой при проектировании машины

К началу проектирования машины, конструктору должны быть известны номинальные, средние значения и допустимые отклонения следующих групп параметров, определяющих:

1. Требования к качеству продукции — ; ее количественный выпуск — ; себестоимость единицы продукции — .

2. Качество исходного продукта — .

3. Свойства потребляемой энергии — .

4. Состояние окружающей среды — .

Сущность задачи, решаемой при проектировании машины, представлена на рис. 11.1.

Рис.11.1. Задача, решаемая в процессе проектирования машины

Параметры первой группы устанавливаются в соответствии с требованиями человеческого общества (и нормативами хозяйства). Для удовлетворения этих потребностей и создается машина, поэтому соблюдение параметров первой группы обязательно.

Значение параметров 2-й группы также не могут быть изменены, так как за этим последовало бы создание другой машины.

Способность машины выполнять служебное назначение в заданных условиях обеспечивается рядом ее конструктивных свойств, характеризуемых группой параметров . К числу этих параметров относятся характеристики материалов, размерных связей, а также их производных (кинематики, жесткости, износостойкости, надежности и так далее).

Смысл проектирования машины заключается в нахождении таких и таком конструктивном обеспечении их, при которых машина находилась бы в соответствии с условиями определяемыми значениями параметров 1 – 4 групп.

11.3. Выбор видов связей и конструктивных форм исполнительных поверхностей машины

Свое служебное назначение машина выполняет с помощью связей, действующих между ее исполнительными поверхностями. Между исполнительными поверхностями могут действовать размерные, кинематические, динамические, гидравлические, пневматические, электрические, магнитные, звуковые, световые и другие связи.

Проектирование машины всегда начинается с выбора связей, позволяющих машине осуществлять требуемый технологический процесс экономично.

Требуемые виды связей исполнительных поверхностей машины выбирают в соответствии с ее служебным назначением.

Вид и форму исполнительных поверхностей машины устанавливают исходя из ее служебного назначения и в результате совокупного рассмотрения вида и характера необходимых связей, выявленных ранее.

Большую роль при решении этой задачи играет конструкторская преемственность.

Например, выбор исполнительных поверхностей токарного станка – сочетание поверхностей шпинделя (под центр, планшайбу, патрон), поверхности конического отверстия пиноли и поверхности резцедержателя был сделан с целью осуществления кинематических и размерных связей. Однако на эти же поверхности возлагается и осуществление динамических связей, то есть передачу сил и моментов сил, необходимых для процесса резания, сил для закрепления заготовки и тому подобное (рис.11.2).

Рис.11.2. Исполнительные поверхности токарного станка и связи между ними

11.4. Переход от показателей служебного назначения машины к показателям связей ее исполнительных поверхностей

Целью перехода является установление значений показателей связей исполнительных поверхностей машины, исходя из значений показателей ее служебного назначения.

Основной путь перехода – это расчет, для проведения, которого необходимо соответствующие уравнения связи:

,

где – один из показателей служебного назначения;

– показатели вида связи исполнительных поверхностей машины, влияющие на y.

Например, при проектировании токарного станка, для получения поверхностей вращения и плоских поверхностей деталей необходимо обеспечить вращение заготовки и прямолинейное движение режущего инструмента. В соответствии с этим исходные уравнения кинематической связи исполнительных поверхностей станка будет иметь вид:

,

где – скорость подачи прямолинейного движения режущего инструмента мм/мин;

– частота вращения шпинделя, мин^-1;

– подача мм/ об.

Скорость прямолинейного движения режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали характеризует производительность станка. Требуемая производительность задается его служебным назначением.

Желание иметь max сдерживается 2 факторами: стойкостью режущего инструмента, зависящей от , и точностью обработки, зависящей от . Поэтому при выборе и приходится учитывать требуемую точность обработки различных деталей; методы обработки, требующие различные режимы обработки, и, в связи с этим, появляется необходимость в диапазонах и рядах чисел оборотов, представляющих собой показатели кинематической связи исполнительных поверхностей токарного станка.

Для снятия с заготовки требуемого слоя материала необходимо приложения режущими кромками инструмента к заготовке определенной силы резания. Силы резания задаются действием динамических связей исполнительных поверхностей токарного станка.

Сила резания:

,

где

;

;

.

Силы резания рассчитываются исходя из: наибольшей глубины резания t, наибольшей твердости материала , наибольшей подачи инаименьшей скорости .

Для расчета силы резания режимы обработки берут из формулировки служебного назначения.

Далее, например, составляющая создается вращающим моментом . Исходя из требуемых значений , на исполнительных поверхностях шпинделя нужно создать момент

P_X создается силой подачи и так далее.

Все необходимые виды связей в машине создают с помощью деталей, имеющих определенные геометрические формы, размеры, относительные положение и изготовленных из определенных материалов. Материалы и возможность придания им нужных форм, размеров и положения – это все чем располагает конструктор для создания требуемых связей в машине.

Поэтому, проектируя машину, конструктор вынужден неоднократно осуществлять переход от одного вида связи к другому, и, в конечном счете, сводить все виды связей, требующиеся для работы машины, к материалам деталей и размерным связям. В учебнике приведен пример (смотрите самостоятельно) – электрический двигатель.

11.5. Преобразование связей в процессе проектирования машины

Все необходимые виды связей в машине создают с помощью деталей, имеющих определенные геометрические формы, размеры, относительное положение и изготовленных из определенных материалов. Таким образом, конструктор для создания требуемых связей в машине располагает лишь материалами и возможностью придания им нужных форм, размеров и положения. Поэтому, проектируя машину, конструктор вынужден многократно осуществлять переход от одного вида связи к другому и в конечном счете сводить все виды связей, требующиеся для работы машины к материалам деталей и размерным связям.

Для перехода от одного вида связей к другому необходимо иметь уравнение, отражающее зависимость показателя (функции) преобразуемого вида связи от показателей (аргументов) вида связи, к которому осуществляется переход.

Переход в номиналах и допусках от параметров продукции машины к связям свойств материалов и размерным связям, можно рассмотреть на примере электродвигателя (рис.11.3).

Рис.11.3. Преобразование связей в электродвигателе

Электродвигатель предназначен для создания вращательного движения с частотой вращения вала n_в (мин^-1) и вращающим моментом М_вр на валу. Вращательное движение вала с определенной скоростью и вращающий момент являются продукцией электродвигателя, заданные соответственно , и , .

Вращение электродвигателя является результатом его кинематической связи с якорем (n_в=n_я), а вращающий момент – динамической связи ( = ). Каждая из них осуществляется через электромагнитные связи.

Переход от кинематической связи к электромагнитной может быть выполнен в номиналах с помощью уравнения:

^,

где – электродвижущая сила в обмотке якоря, , при этом — напряжение питания электродвигателя; — сила тока в обмотке якоря; – сопротивление обмоток якоря; — падение напряжения на щетках,

– число пар параллельных ветвей обмотки якоря,

– число пар полюсов электродвигателя,

– магнитный поток в зазоре,

– число проводников в обмотке якоря.

Дальнейшие преобразования позволяют перейти от сопротивления с якоря к материалу, длине и сечению проводников обмотки, используя зависимость:

,

где – удельное сопротивление материала проводников, характеризующие свойства материала;

и – соответственно длина и сечение проводников.

А, воспользовавшись уравнением магнитного потока:

,

где – магнитодвижущая сила;

–средняя длина силовой линии;

— магнитная проницаемость железа;

- сечение железа;

— воздушный зазор,

можно, исходя из величины Ф, установить минимальный воздушный зазор между якорем и статором, параметры характеристик свойств материалов магнитов и площадь их сечения.

Для создания требуемого вращающего момента на валу двигателя необходимо перейти от заданного СН двигателя момента к электромагнитному моменту . Так как , то на основании зависимости: