Раздел 3. Исследование технических систем в ходе технологического проектирования

3.1. Исследование технической системы «Изделие»

Как известно из предыдущего, техническая система «Изделие» (ТСИ) описывает существование предмета производства во время технологического процесса его изготовления. Функциональное назначение этой системы – описание системы целей (локальных функций) растянутого во времени и пространстве технологического процесса изготовления детали и сборки машины. При этом состав системы «Изделие» аналогичен составу системы «Предмет производства». Анализ символьной модели системы «Изделие», состоящей из трех уровней и приведенной в параграфе 1.3, показывает, что изменения структурного характера в двух верхних уровнях системы связаны с введением дополнительных технологических требований, связанных с обеспечением качественной сборки (ужесточение точностных требований к элементам деталей, сборочных единиц), а наибольшие изменения в системе происходят в ее нижнем звене – технической системе «Заготовка», которая описывает существование детали в течение технологического процесса ее изготовления.

Рассмотрим особенности проектирования и исследования верхних и нижнего уровней ТСИ раздельно.

Исследование и проектирование верхних уровней ТСИ. Проектирование и исследование верхних уровней технической системы «Изделие» связано с разработкой технологического процесса сборки, который является заключительным этапом изготовления машины, в значительной степени определяющим ее основные эксплуатационные качества.

Условия достижения высоких эксплуатационных качеств машины не ограничиваются созданием ее удачной конструкции, применением высококачественных материалов, высокоточным изготовлением деталей с обеспечением оптимального состояния поверхностных слоев их сопряженных или рабочих поверхностей. Процесс изготовления машины может гарантировать достижение всех требуемых ее эксплуатационных показателей, а также надежности и долговечности лишь при условии высококачественного проведения всех этапов сборки машины (то есть сборки и регулировки отдельных сборочных единиц и общей сборки и испытаний изготавливаемого изделия). В результате сборки должно быть обеспечено такое взаимное положение деталей и сборочных единиц, чтобы их исполнительные (функциональные) поверхности или сочетания этих поверхностей в своем относительном движении, а также в стабильном состоянии не выходили за пределы установленных допусков не только в процессе сборки, но и в процессе эксплуатации машины.

Для обеспечения качественных показателей сборочной единицы или изделия необходимо, прежде всего, выбрать наиболее рациональный в данных производственных условиях метод достижения точности каждого параметра машины. Этот вопрос решается конструктором при разработке конструкции предмета производства, так как исследование того или иного метода достижения точности замыкающих звеньев сборочных размерных цепей связано с применением в сборочных единицах определенных конструктивных элементов и установлением допусков составляющих звеньев размерных цепей.

Технологу необходимо вскрыть заложенные в конструкцию машины методы достижения ее точности (если они не указаны в конструкторской документации), оценить, удачен ли их выбор при заданном объеме выпуска, проверить правильность простановки размеров и допусков на чертежах машины.

Для успешного выполнения этой работы необходимо изучить конструкторские размерные цепи или выявить их, если схемы размерных цепей машины не приложены к чертежам. При выявлении размерных цепей необходимо иметь в виду, что поставленную задачу можно решить только единственной правильно построенной размерной цепью, так как размерные связи между деталями и сборочными единицами объективны и каждая размерная цепь дает решение только одной задачи. Обычно замыкающим звеном в сборочной размерной цепи является расстояние или относительный поворот поверхностей (или их осей) деталей, относительное положение которых требуется обеспечить.

Составляющими звеньями размерной цепи могут быть либо расстояния (относительные повороты) между поверхностями (их осями) деталей, образующих замыкающее звено, и основными базами этих деталей, либо расстояния (относительные повороты) между поверхностями вспомогательных и основных конструкторских баз деталей.

Руководствуясь указанными положениями, для выявления размерной цепи следует двигаться от замыкающего звена к основным конструкторским базам базируемой детали (первой детали, определяющей положение замыкающего звена в размерной цепи), от них – к основным конструкторским базам следующей детали базирующей первую (предыдущую) деталь, учитывая отдельными звеньями несовпадения основных и вспомогательных конструкторских баз и т.д., вплоть до вспомогательных конструкторских баз базирующей детали сборочной единицы (последней детали, определяющей положение замыкающего звена в размерной цепи) и образования замкнутого контура.

Точность замыкающего звена при сборке может быть достигнута одним из следующих методов: полной, неполной и групповой взаимозаменяемостью, пригонкой и регулированием.

Наиболее простым и надежным является метод полной взаимозаменяемости, так как сборка в этом случае сводится к простому соединению деталей или сборочных единиц и осуществляется без брака. При этом сумма допусков составляющих звеньев, заданных по рабочим чертежам, не должна превышать допуск замыкающего звена, то есть должно выполняться основное условие метода расчета размерных цепей на максимум–минимум, выраженное следующим уравнением

, (3.2.1)

где TA_∆ – допуск замыкающего звена;

ТА_i – допуск составляющего звена;

x – передаточное отношение, которое в общем случае есть частная производная: дА_Δ/дА_i; для линейных цепей с параллельными звеньями: x = 1 для увеличивающих и x = –1 для уменьшающих звеньев;

m – общее количество звеньев размерной цепи.

Координата середины поля допуска размера определяется по формуле

, (3.2.2)

где ESA_i, EIA_i – соответственно верхнее и нижнее отклонения размера.

Координата середины поля допуска замыкающего звена связана с координатами середины полей допусков составляющих звеньев следующим уравнением

, (3.2.3)

Предельные отклонения размера определяются следующими уравнениями

; . (3.2.4)

Если указанное выше условие (3.2.1) не выполняется, полная взаимозаменяемость при заданных допусках невозможна.

Тогда следует проанализировать каждое составляющее звено размерной цепи, рассмотреть при этом какой детали и сборочной единице оно принадлежит и на каких технологических операциях при обработке обеспечивается заданная точность звена. Если применяемые методы обработки имеют резерв точности и возможно выдержать более высокую точность без существенного усложнения и удорожания технологического процесса, то технолог устанавливает технологически более жесткие допуски на составляющие звенья и заново рассчитывает размерную цепь с целью обеспечения полной взаимозаменяемости при сборке, внося соответствующие изменения в рабочие чертежи.

В многозвенных размерных цепях при высоких требованиях к точности замыкающего звена метод полной взаимозаменяемости может оказаться невыполнимым даже после экономически целесообразного технологического ужесточения допусков на составляющие звенья или нерентабельным ввиду слишком жестких допусков на эти звенья и трудности, а иногда и невозможности их обеспечения при обработке. В этом случае может быть применен метод неполной взаимозаменяемости. При проверке возможности осуществления сборки этим методом предусматривается некоторый экономически допустимый процент риска получения брака, а допуск замыкающего звена рассчитывается по формуле

, (3.2.5)

где t – коэффициент риска, характеризующий вероятность выхода отклонений замыкающего звена за пределы допуска и равный: 1 – при проценте риска 32; 1,65 – при проценте риска 10; 2 – при проценте риска 4,5;
3 – при проценте риска 0,27 и т. д.

λ_i – коэффициент относительного рассеяния. Для закона нормального распределения λ_i² = ¹/₉, для закона Симпсона λ_i² = ¹/₆, для закона равной вероятности λ_i² = ¹/₃.

Сборка по методу групповой взаимозаменяемости (селективная сборка или сборка по методу подбора) применяется главным образом для размерных цепей, состоящих из небольшого числа звеньев (трех, иногда четырех), например размерных цепей типа «отверстие–вал–зазор», а также для сборочных соединений особо высокой точности, практически недостижимой методом полной взаимозаменяемости (шариковые подшипники, плунжерные пары и т.п.). Замыкающим звеном в таких случаях является зазор, регламентированный на основе эксплуатационных требований.

При осуществлении метода сначала определяется число групп n_гр, на которые должны быть рассортированы сопрягаемые детали, рассчитываются величины полей групповых допусков и предельных отклонений групповых размеров (групповой допуск размера меньше чертежного допуска этого размера в n_гр раз). Число групп при заданном допуске TA_∆ замыкающего звена определяется по формуле

,

где TA'_i – экономически приемлемые технологические допуски составляющих размеров.

Групповой допуск составляющего размера определяется по формуле

TA_грi = TA'_i / n_гр.

Все детали, изготавливаемые по чертежным допускам, сортируются по группам в пределах их групповых допусков и поступают на сборку групповыми комплектами. Соединение валов и отверстий общей группы производится без всякого дополнительного подбора, то есть по методу полной взаимозаменяемости.

При использовании методов пригонки или регулирования в конструкцию изделия вводится специальная деталь – компенсатор, размеры которого могут изменяться при сборке путем удаления слоя металла пригонкой (в чертежах сборочных единиц или изделий указывается, по каким поверхностям каких деталей производится пригонка) или регулироваться при сборке (с помощью винтовой пары, набором прокладок, каждая из которых имеет свой размер и не подвергается дополнительной обработке, и т.п.).

Наибольшая возможная компенсация d_к и величина поправки ∆_к к значению координаты середины поля допуска компенсирующего звена при методе пригонки определяются по формулам

d_к = ТА'_∆ – ТА_∆ , (3.2.6)

∆_к = d_к / 2 + Е_сА'_∆ – Е_сА_∆, (3.2.7)

где ТА'_∆, Е_сА'_∆ – допуск и координата середины поля допуска замыкающего звена, получаемые по методу полной взаимозаменяемости;

ТА_∆, Е_сА_∆ – допуск и координата середины поля допуска замыкающего звена, определяемые служебным назначением или поставленной задачей (по данным сборочного чертежа).

Новая координата середины поля допуска составляющего звена, выбранного в качестве пригоняемого компенсатора, определяется по формуле

Е_сА^к_i = Е_сА_i + ∆_к. (3.2.8)

Далее рассчитываются новые верхнее и нижнее отклонения компенсатора по формулам (3.2.4).

При методе регулирования используются следующие формулы.

Число ступеней N компенсатора

N = d_к / (ТА_∆ – ТА_к) , (3.2.9)

где ТА_к – допуск на изготовление компенсатора.

Величина поправки к значению координаты середины поля допуска компенсирующего звена при условии совмещения нижних границ допусков замыкающих звеньев

∆_к = d_к / 2 – Е_сА'_∆ + Е_сА_∆ . (3.2.10)

При определении величины Е_сА'_∆ следует принять координату середины поля допуска компенсирующего звена равной нулю. Величина Е_сА^к_i определяется по формуле

Е_сА^к_i = 0 ± ∆_к . (3.2.11)

Здесь знак плюс применяется, если компенсирующее звено увеличивающее, а минус – если оно уменьшающее.

Величина ступени компенсации

С = ТА_∆ – ТА_к . (3.2.12)

Для каждой ступени компенсации определяется координата середины поля допуска компенсирующего звена Е_сАⁿ_к по формуле

Е_сАⁿ_к = Е_сА^к_i + (n – 1)С, (3.2.13)

где n – номер ступени компенсации, n = I, II, III…N.

Далее для каждой ступени компенсации рассчитываются верхнее и нижнее отклонения компенсирующего звена по формулам (3.2.4).

Для каждой сборочной единицы поставляют весь комплект компенсаторов.

Следствием расчета технологических размерных цепей системы «Изделие» являются изменения в сторону уменьшения (увеличения) значений допусков в рабочих чертежах деталей машины.

После выполнения необходимых исследований сборочных размерных цепей, внесения технологических ограничений в рабочие чертежи разрабатывается технологическая схема сборки, которая является моделью динамического развития технической системы «Изделие» во времени. На схеме сборки каждый элемент системы обозначается прямоугольником, в котором указывают наименование элемента, его номер и количество.

Разработка схемы сборки начинается с определения базовой детали (или сборочной единицы) и деления изделия на сборочные единицы и детали. От прямоугольника с изображением базового элемента до прямоугольника, изображающего готовое изделие, проводят горизонтальную линию. Над ней располагают в порядке последовательности сборки прямоугольники, изображающие детали, а под ней прямоугольники, изображающие сборочные единицы. Для каждой сборочной единицы строят свои схемы.

Технологическая схема сборки является основой для проектирования технологического процесса сборки.

Таким образом, проводят исследование и проектирование технической системы «Изделие» (верхних уровней).

Исследование и проектирование технической системы «Заготовка». Наибольшие изменения в структуре системы «Изделие» происходят в ее нижнем звене – технической системе «Заготовка». Техническая система «Заготовка» (ТСЗ) описывает существование технической системы «Деталь» (ТСД) в течение технологического процесса ее изготовления. Различие между этими системами заключается в наличии временного фактора, в ходе которого изменяются свойства элементов ТСЗ при технологическом процессе обработки заготовки. В ходе выполнения технологического процесса каждый элемент ТСЗ проходит последовательно все состояния, начиная от исходного в заготовке до конечного, соответствующего требованиям чертежа. Каждое состояние элемента характеризуется определенными параметрами (точность размера, качество поверхности, требования взаимного расположения и т.п.), соответствующими этому состоянию.

При этом важной количественной характеристикой проектируемой системы "Заготовка" является уточнение, под которым понимают отношение величины допуска (IТ_заг) на рассматриваемую характеристику точности элемента в исходной заготовке к величине допуска (IТ_дет) на ту же характеристику элемента детали

. (3.2.14)

Если, например, для изготовления вала 6–го квалитета точности
Ø50h6(_–0,016) мм (IТ_дет = 0,016 мм) используют заготовку из горячекатаного проката Ø54 мм (IТ_заг = 1,4 мм), то расчетное уточнение в ходе технологического процесса, определяемое по формуле (3.2.14), будет равно x=1,4/0,016=87,5.

Такое уточнение, при соблюдении требований экономичности, невозможно получить одноразовой обработкой. Поэтому превращение грубых по форме, размерам и качеству поверхностей элементов заготовок в готовые детали экономически целесообразно осуществлять на нескольких последовательно выполняемых ступенях обработки, проводимых на одной или нескольких операциях. После выполнения каждой ступени обработки изменяется состояние элементов (их размеры, точность, качество поверхности и т.п.), то есть можно говорить, что каждая ступень обработки характеризуется своим фактическим уточнением

. (3.2.15)

где IТ_i-1 – допуск на рассматриваемую характеристику точности элемента в состоянии поставки на рассматриваемую ступень обработки;

IТ_i – допуск на ту же характеристику элемента после выполнения рассматриваемой ступени обработки.

После выполнения всех (k) ступеней обработки фактическое общее уточнение будет

x_ф = x_1ф × x_2ф × … × x_(k–1) × x_kф . (3.2.16)

В качестве расчетных (формализованных) характеристик состояний отдельных ступеней обработки в машиностроении принимают допуски размеров или параметры шероховатости поверхностей, соответствующие средне­экономическим значениям этих параметров для различных методов обработки. Поскольку среднеэкономические значения параметров приняты при определенной и обязательной последовательности методов обработки (чистовое точение после чернового, шлифование после чистового точения, развертывание после зенкерования и т.п.), то можно говорить о расчетных (формализованных) значениях уточнений различных методов обработки.

Например, для приведенного ранее примера обработки вала по 6-му квалитету точности из проката регламентируется следующая последовательность методов обработки: заготовка – прокат (IТ_заг = IТ₁ = 1,4 мм), черновое точение
(13-й квалитет, IТ₂ = 0,39 мм), чистовое точение (11-й квалитет, IТ₃ = 0,16 мм), предварительное шлифование (8-й квалитет, IТ₄ = 0,039 мм), чистовое шлифование (6-й квалитет, IТ₅ = 0,016 мм).

Тогда фактические уточнения каждой ступени обработки будут иметь следующие значения: x_1ф = 1,4 / 0,39 = 3,58; x_2ф = 0,39 / 0,16 = 2,44; x_3ф = 0,16 / 0,039 = 4,1; x_4ф = 0,039 / 0,016 = 2,44.

Уточнение всего технологического процесса обработки вала, согласно уравнению (3.2.16)

x_ф = x_1ф × x_2ф × x_3ф × x_4ф = 3,58 × 2,44 × 4,1 × 2,44 = 87,5.

В ряде случаев последовательность выполняемых методов обработки регламентирована весьма жестко (например, при обработке отверстий мерным инструментом их наименование и число для заданного квалитета точности и вида заготовки является вполне определенным и регламентировано справочником).

Однако во многих случаях отступления от средних общемашиностроительных характеристик методов обработки, не только допустимы, но и экономически оправданы. Например, при высоких точностных характеристиках и высокой жесткости системы «Обработка» возможно при черновом точении получить 11-й квалитет от заготовки однократным точением и достичь уточнения 7…10.

Таким образом, если при проектировании технической системы «Заготовка» об отличительных особенностях применяемых систем «Обработка» ничего неизвестно, то используют общемашиностроительные набор и последовательность методов обработки при переводе каждого элемента из состояния в исходной заготовке в состояние готовой детали. При наличии достоверной информации о повышенных (пониженных) точностных характеристиках используемого оборудования принимают иной набор методов обработки.

Важно отметить, что во всех случаях назначение метода получения исходной заготовки, определение методов обработки, их последовательности, значений точностных характеристик и качества поверхности при переводе каждого элемента из состояния в заготовке в состояние готовой детали выполняют на первом этапе проектирования технической системы «Заготовка», то есть при проектировании принципиальной схемы технологического процесса.

Разработку принципиальной схемы технологического процесса начинают с определения метода получения исходной заготовки и ее конфигурации, исходя из физико-механических свойств материала детали, серийности производства и возможностей оборудования заготовительного производства на предприятии. После этого для элементов детали в отдельности определяют необходимое количество промежуточных этапов обработки и получаемые ими состояния – точность и шероховатость для элементов вращения и шероховатость для плоскостных элементов. Это целесообразно делать начиная с окончательного состояния элемента, двигаясь в направлении к исходной заготовке, используя следующие данные, представленные в табл. 3.2.2.

Принципиальную схему технологического процесса изготовления детали можно представить таблично (см табл. 1 прил. А.), предварительно разбив ее на элементы вращения (ЭВ_i) и плоскостные элементы (ЭП_j).

В ходе механической обработки на металлорежущих станках при переводе элемента заготовки из одного состояния в другое снимают слой материала, называемый припуском. Следовательно, припуск – понятие, относящееся к определенной обрабатываемой поверхности, его измеряют по нормали к этой поверхности и он определяет глубину резания. Говоря о припуске вообще, мы будем подразумевать припуск на сторону.

Различают общий и операционный припуски. Общим припуском (z_о) называют слой материала, удаляемый с заготовки в процессе ее обработки с целью получения готовой детали (см. рис. 3.2.11).

Он равен разнице номинальных значений линейных размеров в заготовке и детали, связывающих между собой одни и те же плоскостные элементы в разных состояниях, получаемые в заготовке и детали, или половине разницы номинальных значений диаметров элементов вращения в заготовке и детали.

Таблица 3.2.2