Текст
В. Ф. Безъязычный
В. В. Непомилуев
А. Н. Семенов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ
ПРИ СБОРКЕ
Москва, 2012
УДК 621.757 (031)
ББК 30.607
Б40
Рецензенты:
кафедра «Технология машиностроения»
Пермского государственного технического университета;
первый заместитель директора производства ОАО «НПО «САТУРН»,
кандидат технических наук В. В. Клейменов
Безъязычный В. Ф-, Непомилуев В. В., Семенов А. Н.
Б40 Обеспечение качества изделий при сборке: Монография / В. Ф. Безъ-
язычный, В. В. Непомилуев, А. Н. Семенов. - М.: Издательский дом
«Спектр», 2012. - 204 с.: ил.
ISBN 978-5-904270-88-9
Изложены проблемы обеспечения точности сборки, в том числе расчет
нежестких размерных цепей, технология виртуальной сборки, вопросы ба-
зирования в сборочных соединениях и обеспечения качества сборки путем
технологической компенсации. Рассмотрены прогрессивные методы сбор-
ки: сборка с применением ультразвука, с использованием клеев и автома-
тизация процессов сборки, а также вопросы технологической наследствен-
ности в сборочном производстве.
Монография предназначена для технологов сборочного производства,
может быть полезна аспирантам и студентам вузов.
УДК 621.757 (031)
ББК 30.607
ISBN 978-5-904270-88-9
© В. Ф. Безъязычный, В. В. Непомилуев,
А. Н. Семенов, 2012
© ЗАО «НИНИН МНПО «СПЕКТР», 2012
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................5
Глава 1. КАЧЕСТВО СБОРКИ.............................................8
1.1. Современное понимание качества и точности машин и механизмов.12
1.2. Технологические размерные расчеты............................22
1.2.1. Задачи расчета размерных цепей............................24
1.2.2. Основные методы расчета технологических размерных цепей...24
1.2.3. Основные расчетные формулы................................26
1.2.4. Способы решения прямой задачи.............................27
1.3. Перспективы использования методов достижения требуемой точности
при сборке ГТД....................................................28
Глава 2. НЕЖЕСТКИЕ РАЗМЕРНЫЕ ЦЕПИ...................................35
2.1. Ограниченность классических теорий размерных цепей и базирования...36
2.2. Нежесткие размерные цепи. Определение, формулировка задачи расчета.39
2.3. Специфические свойства нежестких размерных цепей.............41
2.4. Расчет нежестких размерных цепей.............................45
2.5. Размерный анализ нежестких размерных цепей...................55
Глава 3. БАЗИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ В СБОРОЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ ..57
3.1. Роль и место теории базирования в технологии машиностроения..57
3.2. Особенности базирования деталей в конструктивно-технологических
образованиях............................................................60
3.3. Негативные проявления избыточного базирования деталей..............64
3.4. Способы преодоления негативных последствий избыточности базирования....69
3.5. Разработка модели сборочного базирования деталей.............75
3.5.1. Сборочные связи деталей машин.............................75
3.5.2. Устойчивое базирование поверхностей - основа качества
сборочных узлов..................................................79
3.5.3. Структурно-функциональная модель базирования деталей......81
Глпиа 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРКИ ПУТЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ.........................................87
4.1. Технологические возможности методов сборки в обеспечении качества
сборочных систем........................................................87
4.1.1. Методы непосредственной сборки............................88
4,2.2. Методы конструкторской компенсации........................93
4.1.3. Методы технологической компенсации........................94
4.1.4. Методы конструкторско-технологической компенсации.........96
4.2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
КОМПЕНСИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ СБОРКЕ.............................98
4.2.1. Идеализация пространственных форм деталей и взаимосвязей
Исполнительных поверхностей................................... 101
4.2.2. Одномерное описание деталей сборочных образований при размерных
|тсчотах........................................................104
4.2.3. Избыточность базирования деталей.........................107
4
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ............................ПО
5.1. Виртуальное испытание ротора ГТД...........................115
5.2. Методологические основы эффективного использования технологии
виртуальной сборки..............................................116
5.3. Основные вопросы практической реализации технологии
виртуальной сборки..............................................118
5.4. Основные проблемы применения и развития технологии виртуальной сборки в
авиадвигателестроении..........................................120
5.5. Основные задачи, которые необходимо решить для реализации технологии
виртуальной сборки.............................................123
5.6. Примеры использования технологии виртуальной сборки.......123
5.6.1. Ротор ГТД смешанного типа..............................124
5.6.2. Ротор ГТД дискового типа...............................131
5.7. Контроль геометрических параметров деталей и качества
сборки ротора..................................................138
5.8. Пути повышения качества сборки роторов ГТД................140
Глава 6. ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ СБОРКИ.............................149
6.1. Сборка с применением ультразвука..........................149
6.2. Сборка с использованием клеев.............................153
6.3. Методы poka-yoke при сборке...............................162
6.4. Автоматизация процесса сборки.............................165
6.4.1. Особенности автоматизация сборочных операций в
авиадвигателестроении.........................................177
6.4.2. Специфические требования к деталям в условиях автоматизированной
сборки........................................................179
6.4.3. Принципы конструирования деталей.......................181
6.4.4. Особенности сборки резьбовых соединений................183
6.4.5. Автоматическая сборка резьбовых соединений.............187
Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ В СБОРОЧНОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ.....................................................192
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................199
5
ВВЕДЕНИЕ
Современное машиностроительное производство характеризуется частой
сменяемостью и большим разнообразием выпускаемых изделий, применяемых
материалов, технологических процессов изготовления и сборки. Для того чтобы
в этих условиях оставаться конкурентоспособным, оно должно быстро и гибко
реагировать на изменение рыночного спроса, последние достижения техники и
технологии, постоянно поддерживая высокое качество выпускаемой продук-
ции.
Научно-технический прогресс в машиностроении неизбежно сопровож-
дается постоянным усложнением конструкций, повышением требований к ка-
честву и технико-экономическим характеристикам выпускаемых изделий. Бы-
стро расширяется номенклатура изделий и увеличиваются темпы сменяемости
их моделей. Так, за последние 10 лет номенклатура освоенных новых машин
возросла более чем в 15 раз при сокращении времени нахождения изделий в
производстве в среднем с 10-15 до 3-4 лет. Следствием этого является пре-
обладание производств с малой серийностью, что создает значительные труд-
ности при запуске в серийное производство новых, все более сложных изделий
в связи с острой необходимостью сокращения до минимума периода их конст-
руктивной и технологической доводки.
Ускорение темпов научно-технического прогресса приводит к сокраще-
нию сроков морального старения новой техники и выдвигает фактор времени в
качестве важнейшего в повышении эффективности новых машин. Это относит-
ся не только к созданию самого нового изделия, но и к процессу подготовки его
серийного производства. Сокращение длительности этого процесса при одно-
временном удешевлении всех видов работ по конструкторской и технологиче-
ской подготовке производства является важнейшим направлением повышения
эффективности затрат всех ресурсов.
При создании любых машин уже на этапе проектирования возникает за-
дача заложить, а на этапе изготовления обеспечить оптимальные с точки зрения
производства и эксплуатации показатели качества. Это требует от всех специа-
листов, занимающихся созданием новой техники, умения прогнозировать влия-
ние технологических условий изготовления и сборки на эксплутационные ха-
рактеристики деталей и изделия.
Известно, что основными направлениями развития авиационной техники
являются дальнейшее повышение надежности, экономичности, экологичности
двигательных установок. Решение этой сложной задачи может быть обеспече-
но, наряду с конструкторскими мероприятиями, путем существенного повыше-
ния качества изготовления авиационных газотурбинных двигателей и наземных
энергетических установок, поскольку в современном авиадвигателестроении
создание новых изделий в значительной мере сдерживается имеющимся уров-
нем технологии их изготовления. В настоящее время именно технология стало-
б
вится критическим параметром, определяющим общее состояние современной
техники, машиностроения; наблюдается переход главного движителя прогресса
от конструктора к технологу [19].
Научно-техническая революция коренным образом изменила условия ра-
боты на рынках высокотехнологичных и сложных изделий. Быстрое развитие
науки и техники привело к резкому сокращению сроков разработки и запуска
новых изделий в серийное производство. При этом из-за постоянного роста
производительности труда при жесткой конкуренции готовые изделия испыты-
вают устойчивую тенденцию к понижению цен или же к ценовой стабильности
при непрерывном совершенствовании потребительских свойств товара. Это
приводит к тому, что уже через очень небольшое время после появления нового
товара на рынке цена на него падает. Поэтому разработка и изготовление его
аналогов при отсутствии жестких протекционистских мер сразу же становятся
убыточными, экономически бессмысленным, что вынуждает покупать продук-
цию лидеров и все больше и больше увеличивает отставание опаздывающих.
В подобных условиях важнейшим фактором научно-технического, эко-
номического и социального прогресса, реальной основой интенсификации про-
изводства и удовлетворения производственных и личных потребностей населе-
ния становится высокое качество продукции.
В настоящее время, несмотря на жесткую конкуренцию, неприемлемо
большая часть продукции отечественного машиностроения значительно усту-
пает зарубежным аналогам. А морально устаревший товар, произведенный к
тому же с помощью устаревших технологий, не способен удовлетворять совре-
менные потребительские предпочтения и конкурировать в рыночных условиях
с зарубежными аналогами ни по качеству, ни по цене. Наличие же в мире раз-
вивающихся стран с практически неисчерпаемыми ресурсами значительно бо-
лее дешевой, по сравнению с Россией, рабочей силы не позволяет компенсиро-
вать качество обычных отечественных товаров низкой ценой на них. В то же
время, в России пока еще имеется достаточно высокий научный и инженерный
потенциал. Поэтому специализация на выпуске наукоемкой продукции высоко-
го качества - необходимое условие дальнейшего экономического развития Рос-
сии и, возможно, последний шанс для возвращения в число высокоразвитых
стран. Альтернатив этому немного: либо усиленная эксплуатация природных
ресурсов, как в богатых нефтью арабских странах, либо окончательный переход
в разряд развивающихся стран.
Сборка является заключительным этапом, поскольку именно при сборке
окончательно формируется качество любого изделия. Традиционно считается,
что качество высокоточных и сложных конструкций во многом обеспечивается
квалификацией сборщиков, и сборка таких изделий производится уже не только
как простая компоновка деталей, а должна учитывать реально происходящие
процессы. По этой причине большинство высокотехнологичных изделий в те-
7
чение некоторого времени проходят этап доработки технологии сборки в пере-
довых в научно-техническом отношении странах, и только после этого изготов-
ление их передается в филиалы, расположенные в развивающихся странах с
дешевой рабочей силой. А наиболее сложные и ответственные изделия (напри-
мер все самолеты и авиадвигатели, оптика и другая фотоаппаратура профес-
сионального класса, прецизионные металлорежущие станки и измерительные
машины и многое другое) практически всегда окончательно собираются только
в тех странах, которые имеют самую высококвалифицированную рабочую си-
лу. Даже в том случае, когда существуют совместные предприятия, в России,
как правило, производится только лишь предварительная обработка деталей, а
их окончательная обработка и сборка выполняется на Западе.
Себестоимость изготовления изделий в значительной мере зависит от се-
бестоимости сборочных работ, которая достигает в машиностроении 50 %, а в
приборостроении даже 80 % от общей себестоимости изготовления изделий,
что обусловлено преимущественным использованием на сборке ручного труда
рабочих высокой квалификации.
Доля трудоемкости сборочных работ в общей трудоемкости изготовления
машины велика и колеблется в широких пределах (от 18 до 60 % по разным ис-
точникам). Так, если в общем машиностроении она составляет около 30 %, то в
авиационном производстве трудоемкость сборочных операций составляет до
45 - 50 % от общей трудоемкости изготовления летательного аппарата. Трудо-
емкость сборочных работ в серийном производстве авиационных двигателей
составляет около 25 % от общей трудоемкости изготовления ГТД, а в единич-
ном - несколько меньше (из-за значительно большей, чем в серийном произ-
водстве, трудоемкости изготовления деталей). При переходе к серийному про-
изводству трудоемкость изготовления деталей резко уменьшается, а трудоем-
кость сборочных работ уменьшается в значительно меньшей степени.
Относительная трудоемкость сборочных работ за последние 40 - 50 лет
неуклонно растет в связи с тем, что технология получения исходных заготовок
и их механической обработки совершенствуются значительно более быстрыми
темпами, чем технология сборки изделий.
Особенно велика трудоемкость сборки изделий, требуемые показатели
качества которых достигаются методами компенсации, то есть за счет подбора
деталей, выполнения пригоночных или регулировочных работ. Удельный вес
пригоночных работ в серийном производстве достигает 25 %, а в мелкосерий-
ном 30 - 40 % трудоемкости сборки. В целом ряде случаев использование при-
гонки неизбежно даже в условиях крупносерийного и массового производства,
например, при сборке стрелкового оружия, детали которого сопрягаются друг с
другом с высокой точностью одновременно по нескольким поверхностям, обра-
зуя избыточный комплект баз, и при этом решается задача одновременного
обеспечения точности в нескольких размерных цепях.
8
Глава 1. КАЧЕСТВО СБОРКИ
Следует отметить, что даже при сравнительно высоком уровне конструк-
тивных разработок выходные параметры машин далеко не всегда отвечают по-
ставленным требованиям. Это объясняется особенностями технологических ас-
пектов обеспечения их качества. Сейчас уже нельзя ограничиваться общими
рассуждениями о влиянии одних величин на другие, а необходимы количест-
венные оценки погрешностей, возникающих при сборке. Установление их рас-
четным или экспериментальным методом позволяет технологу-сборщику обос-
нованно назначать применяемое оборудование и силовые факторы. К сожале-
нию, расчетные методы, даже с использованием элементарных формул приме-
няют в ограниченных случаях. Возникающие погрешности либо не оценивают
вовсе, либо оценку проводят на основе опыта рабочего-сборщика, что часто
приводит к грубым просчетам, т. к. человек по своей природе склонен недооце-
нивать погрешности, особенно связанные с деформацией деталей, на том осно-
вании, что воспринимает собираемые детали жесткими. Такая оценка должна
быть полностью изжита при разработке технологических процессов и незави-
симо от того, какой метод - расчетный или экспериментальный - будет инст-
рументом повышения качества машин, необходима количественная оценка ка-
чества сборки.
Технологический процесс сборки заключается в соединении деталей,
входящих в изделие; он является способом преобразования множества деталей
в готовое изделие. Формализовано можно представить сборку как процесс
формирования сборочной размерной цепи, являющейся математической моде-
лью реального изделия: при соединении деталей - составляющих звеньев обра-
зуется замыкающее звено. При этом по определенным законам происходит
суммирование погрешностей собираемых деталей.
Качество сборки изделия определяется совокупностью большого количе-
ства различных показателей. Традиционно к ним относятся следующие:
- геометрические (точность размеров, геометрической формы, взаимного
расположения и контактирования сопрягаемых поверхностей и сборочных эле-
ментов, зазоры, натяги, качество совместной обработки деталей в сборе);
- физические (масса, электропроводность и др.);
- кинематические (плавность и легкость перемещения, величина хода, ве-
личина страгивающего момента, кинематическая точность и др.);
- эксплуатационные (герметичность стыков, уравновешенность роторов,
качество работы узлов и систем и др.);
- технологические (напряжения и деформации в деталях в результате сбор-
ки, силы запрессовки деталей и др.);
- условия сборки (стерильность, наличие повреждений собранных элемен-
тов).
9
Под точностью сборки понимают степень совмещения материальных
осей, контактирующих поверхностей или иных элементов сопрягаемых деталей
с положением их условных прототипов, определяемых техническими требова-
ниями или соответствующими размерами на чертеже.
Точность - один из важнейших технико-экономических показателей ка-
чества любой машины - оценивается величиной погрешности. Причинами по-
явления погрешностей изделия являются погрешности, полученные на всех
этапах его жизненного цикла: при проектировании изделия, изготовлении его
деталей, сборке, технологических испытаниях и эксплуатации. При сборке по-
грешности изделия возникают из-за неправильной взаимной ориентации соби-
раемых деталей (погрешностей базирования и установки), смещения деталей
вследствие их деформации, контактных и других физических явлений, несо-
блюдения технологических параметров сборки, недостатков используемых ме-
тодов обеспечения точности и многих других причин.
Технологический процесс сборки, как и любой другой производственный
процесс, всегда характеризуется расходом ресурсов - материалов, энергии, ин-
формации. Поэтому основным требованием к нему, при заданных ограничениях
по производительности, качеству и срокам выполнения, является минимальный
расход всех этих ресурсов. Однако информационный ресурс, обеспечивая ре-
шение какой-либо проблемы, может выступать в качестве реальной альтерна-
тивы материальному или энергетическому ресурсу, что приводит к их эконо-
мии. Более того, поскольку стоимость информационного ресурса быстро и по-
стоянно уменьшается в связи с непрерывным совершенствованием средств для
получения и обработки информации (измерительной и компьютерной техники),
а стоимость материального и энергетического растет, задача замены в макси-
мальной степени материального и энергетического ресурсов информационным
является актуальной. Это подтверждается, например, тем известным фактом,
что экспериментальное определение режимов резания в настоящее время по-
всеместно вытеснено расчетом их на ЭВМ с использованием сложных матема-
тических моделей, эффективная реализация которых возможна только на базе
высокопроизводительной современной вычислительной техники.
Однако в современных условиях на всех этапах создания изделия тради-
ционно происходит постоянная и практически неизбежная потеря информации,
в том числе и о его точности, поскольку расчетчик, конструктор и технолог,
решая одну общую задачу, обычно используют разные методы и разные подхо-
ды к ее решению. Потери информации о точности создаваемого изделия могут
происходить по нескольким причинам.
1. При передаче информации от одного этапа создания изделия к другому
» связи с наличием специфических требований на каждом этапе, противореча-
щих требованиям других этапов. Например, работу изделия при эксплуатации
могут определять одни геометрические и физические параметры, а на стадии
изготовления и контроля, из-за несовершенства техники и технологии, могут
10
использоваться другие, существенно отличающиеся от первых. Так, на вибра-
ционные характеристики гибкого ротора ГТД влияют действительная форма
его оси, распределение локальных дисбалансов и эксцентриситетов и многие
другие параметры. Однако конструктор, формулируя требования к выходным
параметрам качества сборки, и технолог, разрабатывая технологический про-
цесс сборки спроектированного конструктором ротора, вынуждены в настоя-
щее время применять традиционные, в достаточной степени обеспеченные тех-
нологически и метрологически параметры качества, например, максимально
допустимые величины биений контрольных поверхностей или суммарного тех-
нологического дисбаланса. Эти параметры не характеризуют однозначно каче-
ства собираемого гибкого ротора, но широко применяются в производстве, по-
скольку использование конструкторских показателей в технологическом про-
цессе неудобно, а часто и вообще невозможно из-за практически непреодоли-
мых трудностей при их достижении и контроле с помощью существующих тех-
нологий.
2. Внутри каждого этапа из-за несовершенства способов решения постав-
ленной задачи. Так, вследствие несовершенства технологии, главная централь-
ная ось инерции изготовленной детали не совпадает ни с осью ее основной ба-
зы, ни с осью собранного ротора, а все базирующие поверхности имеют по-
грешности формы, расположения и микрогеометрические отклонения, не учи-
тываемые существующими методиками определения требуемого относительно-
го положения деталей. Это создает достаточно большую неопределенность при
прогнозировании качества изделия.
3. Вследствие наличия многих не учитываемых и поэтому достоверно не
нормируемых факторов. Например, конструктор не учитывает изменений, про-
исходящих в спроектированной им машине в процессе эксплуатации из-за из-
менения размеров и формы ее деталей при воздействии нагрузок, релаксации
остаточных напряжений, микроползучести, износа и других причин.
Традиционно, такие потери информации компенсируются завышением
требований к качеству, в том числе и точности, создаваемого изделия и отдель-
ных его деталей, что вызывает дополнительные затраты материальных и энер-
гетических ресурсов. По мере повышения требований к ГТД значимость потерь
информации резко возрастает и становится недопустимой. Потеря информации
приводит к снижению точности и так сравнительно приблизительных типовых
расчетов и не позволяет вносить соответствующую корректировку при анализе
результатов контрольных испытаний на этапе конструктивно-технологической
доводки нового двигателя. В настоящее же время в целом ряде случаев тради-
ционный подход уже вообще не позволяет изготовить работоспособное изде-
лие, даже при очень больших затратах материального и энергетического ресур-
сов.
Для корректного и практически значимого определения допустимых по-
грешностей необходимо провести точностные расчеты различных параметров
11
работающей машины с учетом технологических и эксплуатационных нагрузок.
Это существенно усложняет расчеты на точность. От качества применяемых
методик точностных расчетов зависит величина методологических погрешно-
стей, что также влияет на погрешность изделия. Поэтому разработка новых ме-
тодик расчетов на точность, обладающих большей достоверностью, чем суще-
ствующие, является актуальной проблемой теории сборки. Наиболее часто
производят точностные расчеты геометрических параметров, основанные на
современной классической теории размерных цепей. Однако из-за многочис-
ленных ограничений этой теории подобные расчеты точности сборки обычно
исчерпываются суммированием однородных геометрических составляющих.
Между тем реальный процесс сборки значительно сложнее, сопутствующие
ему физические явления (объемные и контактные деформации, релаксация на-
пряжений и другие) сложны и сами по себе, и тесно взаимосвязаны. Возни-
кающие вследствие этих явлений погрешности также взаимосвязаны и могут
трансформироваться в другие погрешности.
В общем случае при разработке технологии сборки изделия необходимо
решить последовательно ряд задач, а именно:
- выявить размерные цепи, составить и решить уравнения (или системы
уравнений) размерных цепей, адекватно выражающих зависимость выходных
геометрических параметров изделия от параметров его деталей с учетом изме-
нения их под влиянием различных факторов, а также с учетом совокупности
конструкторских, технологических и метрологических факторов;
- проанализировать сборочные размерные цепи и обосновать метод дости-
жения требуемой точности сборки;
- обосновать требования к технологии изготовления и качеству финишной
обработки деталей и контролю их выходных параметров;
- разработать средства метрологического обеспечения, механизации и ав-
томатизации сборки.
Первые три этапа связаны с расчетами сборочных размерных цепей с
учетом конструкторских, метрологических и технологических факторов; по-
следний этап предусматривает выполнение конструкторских разработок, реали-
зующих принятую технологию сборки.
Используемые в настоящее время технологии сборки являются, как пра-
вило, неуправляемыми в отношении процесса суммирования погрешностей со-
ставляющих звеньев и не учитывают индивидуальных особенностей каждой
конкретной детали. Это также вынуждает либо ужесточать, иногда до предела,
требования к качеству изготовления деталей, применять пригонку, либо ми-
риться с низкой точностью сборки. Однако в целом ряде случаев использование
традиционных технологий уже вообще не позволяет получить приемлемый ре-
зультат даже при очень больших материальных затратах.
Например, в современных авиационных газотурбинных двигателях
предъявляются очень жесткие требования к точности сборки роторов, которые
12
приводят к необходимости уменьшения до предела допусков на размеры, мак-
ро- и микрогеометрические параметры изготавливаемых деталей. Однако, не-
смотря на то, что наиболее ответственные детали ГТД уже сейчас изготавлива-
ются фактически с максимально достижимой в единичном или серийном про-
изводстве точностью, при сборке даже хорошо освоенных в производстве се-
рийных авиационных двигателей требуемая точность достигается методами не-
полной взаимозаменяемости, а также осуществляемых вручную пригонки, по-
парного или индивидуального подбора деталей. При этом количество нуждаю-
щихся в доработке изделий может достигать 20 - 80 %, что вынуждает произ-
водить многочисленные повторные сборки, подбирая эмпирическим путем де-
тали или пригоняя их.
Создание высоких технологий, без которых немыслимо дальнейшее раз-
витие авиационной техники, вообще невозможно без надежного управления
процессом формирования качества изготавливаемого изделия, поскольку эти
технологии граничат с техническими возможностями производства в настоящее
время.
Дополнительные трудности вызывает и тот факт, что все геометрические
параметры, а значит и качество машины, непрерывно изменяются на протяже-
нии ее жизненного цикла. Очевидно, что не имеет большого смысла повышение
точности изготовления без учета дальнейшего поведения собранной машины,
поскольку достигнутая при сборке точность ее в дальнейшем не остается по-
стоянной. Даже при хранении не эксплуатируемой детали или машины, а тем
более при ее эксплуатации, всегда происходят различные процессы (релаксация
напряжений, микроползучесть и другие), приводящие к постоянному измене-
нию достигнутой при изготовлении или сборке точности. Например, уже после
I - 2 ч работы нового ГТД при испытании уравновешенность его ротора сильно
изменяется. Поэтому необходимо рассматривать машину как постоянно изме-
няющуюся систему и стремиться не просто к достижению при сборке заданной
точности и сохранению ее в дальнейшем, а к тому, чтобы эта система была в
состоянии, адаптируясь к происходящим неизбежным изменениям, постоянно
оставаться работоспособной. Таким образом, необходима разработка способов
управления качеством машины с учетом постоянных изменений, происходящих
в ней.
1.1. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ КАЧЕСТВА И ТОЧНОСТИ МАШИН И
МЕХАНИЗМОВ
Высокое качество продукции машиностроения является решающим усло-
вием обеспечения надежной и безопасной эксплуатации техники, снижения
расходов на ее изготовление и эксплуатацию, своевременности поставок и, сле-
довательно, конкурентоспособности на мировом рынке. Роль производства за-
13
ключается в обеспечении конструктивно заложенных показателей назначения
(мощность, производительность, удельный расход топлива и т. д.) и надежно-
сти (безотказность, ресурс), однако последние могут быть оценены только вне
производственного процесса - в эксплуатации. Такая ситуация предопределяет
многие проблемы с обеспечением надежности, поскольку основное внимание в
производстве уделяется качеству деталей, а качество изделий в большой степе-
ни определяется качеством технологических процессов сборки. В настоящее
время в машиностроении в целом основные проблемы технологии сосредото-
чены в области сборки, как наименее развитой в научном отношении среди тех-
нологических наук.
Организация сборки должна создать такие условия, чтобы обеспечивать
изготовление стабильно качественной продукции. С позиций теории вероятно-
сти процесс является стабильным, если распределение значений параметра в
его рассеивании неизменно для определенной партии продукции. Для этого па-
раметры должны не выходить за пределы поля допуска между минимальным и
максимальным допустимыми значениями. Точность технологического процесса
характеризуется отношением суммарной погрешности изделия к допуску на
параметр. При нормальном распределении случайной погрешности для ста-
бильного выпуска продукции необходимо, чтобы поле рассеивания параметра
Ф(х), оцениваемое шестью среднеквадратичными погрешностями 6а, было
меньше величины допуска на параметр допуска Т, то есть 6а <Т (рис. 1.1). При
6а = Г доля дефектной продукции достаточно мала - 0,27 %.
Рис. 1.1. Нормальное распределение точности продукции
Не вдаваясь в особенности метрологического обеспечения процесса
оценки качества продукции, при котором возможно появление рисков первого
и второго родов (т. е. забраковки годной продукции и приемки бракованной),
отметим, что в настоящее время для гарантированного обеспечения качества
необходимо, чтобы точность процесса отвечала условию Т/о >(8 - 12). Наладка
и регулирование технологического процесса должны проводиться внутри на-
14
строенного поля допуска, границы которого смещены относительно границ
технического допуска и xmn на величины соответствующих погрешностей.
Основные понятия точности промышленной продукции, развиваемые до
последнего времени, в основном, отражали всего лишь одну - геометрическую
характеристику. Фактически же понятие точности машин является многомер-
ным, поскольку всегда имеется множество и неявных выходных характеристик.
По мере развития инженерии качества был сформулирован принцип функцио-
нальной взаимозаменяемости [55], в котором обосновывалась необходимость
оценки качества изделий не только косвенным путем по геометрической точно-
сти деталей, а непосредственно по точности функциональных характеристик.
Качественные показатели, которые определяются назначением изделия и
обеспечивают надежное выполнение изделием их функций в течение заплани-
рованного ресурса, называются выходными характеристиками. Параметры ка-
чества деталей, сборочных единиц и изделий (геометрические, физические, ме-
ханические и др.), которые оказывают влияние на выходные характеристики
изделий более высокого уровня сложности, называются функциональными па-
раметрами. Под функциональной взаимозаменяемостью понимаются свойство
двух или нескольких изделий выполнять заданные функции одним изделием
вместо другого с теми же техническими показателями и в течение заданного
времени эксплуатации. Обеспечение функциональной взаимозаменяемости
обеспечивается путем:
- установления достоверных количественных связей функциональными па-
раметрами узлов и выходными характеристиками изделий;
- определения степени влияния погрешностей функциональных параметров
на отклонения выходных характеристик;
- выполнения соответствующих функциональных параметров с точностью,
определяемой по допустимым отклонениям выходных характеристик.
Если количество выходных характеристик равно числу функциональных
параметров, то допуски на них могут быть определены в результате решения
системы уравнений, в которой число уравнений равно числу неизвестных. В
противном случае, задача будет неопределенной, и для ее решения может по-
требоваться введение дополнительных условий. В простейшем случае, если вы-
ходные характеристики и функциональные параметры имеют единую геомет-
рическую природу, задача может быть решена, например, заданием единой сте-
пени точности всех параметров. Однако в большинстве случаев такое единооб-
разие не наблюдается, поэтому решение задач не может быть численным и пре-
вращается в поиск наилучшего варианта.
В настоящее время оценка качества продукции производится с учетом ее
сложности, быстродействия, скорой сменяемости, возрастания сертификацион-
ных требований, повышения цены отказов и цены снижения эксплуатационных
15
показателей. С этих позиций классический подход к точности путем оптимиза-
ции величины и положения допуска претерпел существенное изменение.
Одной из идей современного подхода к качеству продукции является
обеспечение ее робастности, то есть устойчивости функциональных характе-
ристик к воздействию факторов, вызывающих изменение этих характеристик.
Критерием робастности является допустимый минимум соотношения «сигнал -
шум», т. е. допустимое отклонение функциональных параметров продукции от
номиналов при воздействии различных причин. Конкретный вид отношения
«Сигнал - шум» зависит от физического смысла решаемой задачи и способа вы-
числения компонентов отношения. Например, сигналом для динамических сис-
тем типа роторных узлов являются динамические нагрузки от рабочих процес-
сов и внешних воздействий. К факторам, порождающим шумы, можно отнести
внутренние напряжения, старение материала, износ деталей и т. и. в зависимо-
сти от вида реакций на эксплуатационные воздействия.
Робастное понимание качества продукции заключается в том, чтобы ми-
нимизировать отклонения функциональных характеристик изделий от номина-
Щ|, При этом минимизации величины поля допуска не требуется, поскольку ро-
бвстпое изделие должно противостоять случайным изменениям различных
внешних воздействий в широких пределах без значительного снижения функ-
циональных характеристик. Экономически эффективный путь достижения ро-
ГНЮТИОСТИ видится в таком проектировании технологии, которая обеспечивает
Минимальную чувствительность изделия к влиянию любых шумовых факторов.
На производственном этапе основным источником «шумов» является
t Ищи я сборки, поскольку только на ней формируется изделие во всей совокуп-
ности функциональных характеристик. Сборочная стадия является наиболее
к кшущенной» в части управления условиями ведения технологического про-
цесса и качеством вследствие того, что отсутствует общая теория сборочных
процессов, а ее исходные принципы не основаны на адекватном отражении ре-
Й1Н1ПЫХ физических свойств деталей и их взаимодействии. В качестве основно-
IИ источника нестабильного поведения сборочных систем, то есть шумов, сле-
нуст считать уровень принуждения сборочной системы к образованию избы-
ншцых связей, которое увеличивает энергетический потенциал системы, по-
шатает неопределенность функциональных показателей. Создание робастного
режима сборки означает, что условия выполнения основных и вспомогательных
ШЮрпций регламентированы таким образом, что обеспечивается наименьший
|1И |брос показателей качества готовой продукции.
Спецификой сборки является то, что негативные реакции от избыточных
еИИ )ОЙ имеют множественность проявлений и длительный латентный период,
НИ Всегда могут быть измерены или диагностированы в производственном про-
щц!0О, проявляются после достаточно длительной эксплуатации. Неопределен-
ШЮГЬ физической природы этих проявлений затрудняет их идентификацию,
иЦОПку и измерение, а наиболее доступный способ геометрического измерения
16
не обладает достаточной разрешающей способностью в силу малости деформа-
ции от избыточных связей. Поэтому основным способом обеспечения робаст-
ности при сборке соединений с избыточным базированием является получение
наилучшего результата среди возможных результатов путем создания условий
для минимального принуждения сборочной системы. Параметры качества в
данном случае также могут не иметь метрологического нормирования и, соот-
ветственно, пределов допустимого изменения. В этом аспекте оптимальным
представляется подход Тагути, который полагает, что наиболее робастный ре-
жим по критерию «сигнал - шум» можно понимать так, чтобы было «чем
больше, тем лучше», то есть чем меньше шум, тем больше отношение.
При анализе возможности достижения робастности в первую очередь не-
обходимо рассмотреть основное условие ее формирования - воспроизводи-
мость технологического процесса, которое определяется соотношением, пока-
зывающим, во сколько раз ширина поля допуска больше фактической ширины
соответствующего распределения параметров.
Интервал установленного поля допуска
р Диапазон рассеивания данного параметра
Различные фирмы устанавливают для своих процессов различные крити-
ческие значения Ср. В работе [56] приведена ссылка на данные от ведущих
фирм, которые рекомендуют следующие значения:
- для процессов существующих / новых......................1,33/1,50;
- для обеспечения безопасности, прочности и для критических процессов
существующих / новых.......................................1,50/1,67,
которые отражают соответствующее повышение точности и снижение уровня
брака при условии нормального распределения параметров (рис. 1.2).
Брак = 0,27%
Рис. 1.2. Сравнительная характеристика распределения параметров
Оценка качества процесса по критерию воспроизводимости процесса
имеет существенный недостаток, ввиду того, что производится только по вели-
чине поля допуска. Смещение номинального значения параметров в любую
17
сторону от центра поля допуска может привести к появлению брака. Поэтому
кроме Ср предлагаются более информативные индексы, которые чувствительны
к позиции распределения внутри поля допуска. Однако, несмотря на этот не-
достаток, для сравнительной оценки точности характеристик некоторых дета-
лей узлов этот показатель является удобным.
Неустойчивость высокотехнологичных изделий с напряженным рабочим
циклом может выражаться в различных формах. Например, формами неустой-
чивости лопаточных машин являются изменения выходных характеристик и
показателей рабочего процесса в зависимости от изменения входных воздейст-
вий, резонансные явления при прохождении критических частот. Исходя из со-
держания технологических способов преодоления сборочных форм неустойчи-
вости, можно считать, что все они определяются специфическими реакциями
сборочной системы на силовое воздействие в процессе сборки. Поэтому такие
способы обеспечения воспроизводимости сборочного процесса основаны на
учете индивидуальных особенностей конкретных деталей и их взаимодействий.
Использование разнообразных технологических приемов, призванных
скомпенсировать непознанные и неуправляемые явления, является типичным
Признаком сборочного производства ответственных изделий в настоящее вре-
мя. В этой связи проблема определения точной цели сборки, то есть реальных
показателей качества, приобретает важнейшее значение. В соответствии с рас-
смотренным подходом можно предположить, что качество высокотехнологич-
ных изделий определяется двумя взаимосвязанными, но принципиально раз-
личными категориями: внешнего и внутреннего качества.
Внешнее качество изделия определяется степенью соответствия функ-
циональных показателей и выходных характеристик заявленному уровню точ-
ности. Внутреннее качество характеризуется стабильностью внутреннего со-
стояния сборочной системы, обеспечивающей устойчивость изделия к внутрен-
ним и внешним воздействиям.
Важнейшим условием достижения высокого качества, надежности, сни-
жения расходов на изготовление и эксплуатацию современной техники являет-
ся научное обеспечение всех производственных этапов жизненного цикла на
основе познания закономерностей взаимодействия деталей и предвидения
влияния внешних воздействий. Решение проблемы надежности одновременно
является и решением проблемы обеспечения качества изделия в производст-
венных условиях. В производстве машиностроительных изделий состояние ка-
чества часто оценивается на двух уровнях: как качество составных частей и как
качество изделия в целом, а связующим звеном между этими элементами явля-
ется сборочный процесс. Если качество составных частей в производстве изде-
лий ответственного назначения непрерывно контролируется и считается безус-
ловным, то возникает закономерный вопрос, почему на заключительном сбо-
рочном этапе производства даже при изготовлении серийной высокотехноло-
18
гичной продукции, например, авиационных двигателей, проблемы с обеспече-
нием качества постоянно возникают? Такой же нерешенной проблемой являет-
ся и обеспечение надежности, которая периодически обостряется при изготов-
лении авиационных двигателей даже по установившейся технологии, и, тем бо-
лее в периоды, директивного повышения ресурса.
Для анализа ситуации с проблемой качества изделий необходимо выявить
возможные причины, которые могут обуславливаться как конструктивными
особенностями изделий, так и недостатками технологии изготовления. Конст-
руктивные недоработки изделий машиностроения обычно проявляются в виде
внезапных отказов из-за поломок, нарушения протекания рабочих процессов и,
в большинстве случаев, устраняются в процессе доводки и эксплуатационного
сопровождения.
Причинами недостатков технологии сборки являются неправильное на-
значение методов, режимов и последовательности выполнения операций, низ-
кая квалификация исполнителей, несовершенство методов контроля. В то же
время, имеется основание полагать, что более глубокой причиной недостаточ-
ного уровня качества на сборочном этапе является непонимание конструктора-
ми и технологами - сборщиками особенностей взаимодействия и взаимовлия-
ния присоединяемых деталей друг на друга и на выходные характеристики из-
делия.
Специфика сборочных процессов воспринимается в техническом общест-
ве весьма неоднозначно. С одной стороны, содержание большинства сборочных
операций наглядно и интуитивно понятно, и поэтому осознается в обыденном
понимании как процесс последовательной установки и присоединения деталей.
С другой стороны, усложнение изделий машиностроения, повышение точности,
ужесточение требований к надежности выявляет проблемы, решение которых
связано со значительными материальными и трудовыми затратами, поскольку
они предопределяются скрытыми закономерностями контактного и объемного
взаимодействия деталей.
Качество машин последовательно формируется на всех стадиях произ-
водства: от изготовления заготовок деталей до сборки и испытания, и оконча-
тельно определяется тремя составляющими - надежностью, техническим уров-
нем, потребительскими свойствами. Общеизвестно, что технический уровень и
потребительские свойства закладываются при проектировании машин и в ма-
лой степени зависят от технологии изготовления, в то время как надежность
формируется за счет технологических воздействий на всех стадиях производст-
ва и в значительной степени обеспечивается при сборке машин.
Надежность машин определяется, как способность изделия сохранять во
времени свою работоспособность. Поскольку сборка как часть технологическо-
го процесса изготовления машин является его заключительной стадией, несо-
мненно, что ее влияние является определяющим при обеспечении выходных
характеристик. Поэтому адекватное определение роли и места сборки в форми-
19
ровании выходных характеристик, надежности их сохранения в течение экс-
плуатационного этапа жизненного цикла изделий является непременным усло-
вием создания научного подхода к этой стадии производства.
Основные проблемы сборочного этапа возникают при изготовлении так
называемых наукоемких изделий, решение которых в абсолютном большинстве
случаев достигается затратными способами в виде многочисленных переборок,
доработок и конструктивных уточнений. Основной причиной такого состояния
является недостаточное развитие теории сборки как самостоятельного этапа
производственного цикла изготовления машин.
Теоретическое обоснование сборочных процессов стало развиваться с по-
явлением научной концепции технологии машиностроения. В основе этих
взглядов лежат предложенные Б. С. Балакшиным при разработке научных ос-
нов технологии машиностроения следующие ключевые положения:
- теория базирования;
- теория размерных цепей;
- методы достижения точности замыкающего звена.
Эти положения стали ядром соответствующих стандартов, которые со-
держат основные понятия, методические указания по решению задач, связан-
ных с обеспечением точности машин. Несмотря на логичное обоснование и
ножную роль в становлении технологии машиностроения, значение этих базо-
вых положений и их более поздних редакций (методических указаний) не удов-
летворяет научным запросам сборочного производства настоящего времени.
Основными ограничениями для использования этих положений являются абст-
ракции и допущения теоретической механики, идеализация закономерностей
Взаимодействия деталей в сборочных средах. Идеализированные представления
теоретической механики о свойствах тел и их базировании, допустимые к ис-
пользованию во временных технологических средах, создающихся для механи-
ческой обработки деталей, были перенесены в теорию сборки машин на этапе
начального развития и могут применяться в качестве таковых только в строго
ограниченных рамках.
Другой причиной существующего состояния сборочного производства
Является то, что методы достижения точности замыкающего звена, которые вы-
текают из теории размерных цепей и воспринимаются как единственно воз-
можные методы сборки в машиностроении, в реальности не могут объединить
ВОС разнообразие современных сборочных приемов на основе исходных прин-
ципов.
Упрощенный подход к решению задач размерного анализа сборки на ос-
нове стандартизованных методов во многих практических случаях приводит к
Значительным погрешностям, поэтому в ряде конкретных случаев производится
уточнение методик путем введения понятий нежестких, динамических и экс-
плуатационных размерных цепей. Поэтому положения теории размерных цепей
нуждаются в теоретическом уточнении для отражения взаимовлияния деталей и
20
эксплуатационных возмущений, возникающих в процессе образования соеди-
нений деталей и их работе.
Достижение требуемой точности замыкающих звеньев размерных цепей
при конструировании изделий и их сборке обеспечивается путем использования
следующих методов:
- полной взаимозаменяемости;
- неполной взаимозаменяемости;
- групповой взаимозаменяемости;
- пригонки;
- регулирования.
Анализ условий введения этих методов сборки показывает, что в данной
постановке они не могут иметь самостоятельного значения, поскольку являют-
ся только способами решения размерных цепей. В этом смысле происходит
подмена целевой функции сборки алгоритмом формализованного расчета раз-
мерных цепей. Набор этих методов долгое время считался полным и оконча-
тельным, но развитие производственных потребностей, необходимость обеспе-
чения более высокого качества сборки привели к расширению этого перечня. В
настоящее время разработаны и используются:
- сборка с компенсирующими материалами и оптимизированным подбором
пригоночных деталей;
- виртуальная сборка, позволяющая производить оптимизацию точностных
параметров и проверять собираемость отдельных узлов и машин с помощью
трехмерных моделей на базе CAD систем;
- индивидуальная сборка по фактическим размерам;
- сборка методом индивидуальной селекции по действительным значениям
выходного параметра качества узла;
- сборка с учетом физических параметров и т. д.
Анализ методов достижения точности сборки и перечисленных способов
сборки позволяет разделить их на группы пассивных и активных способов по
характеру реализации сборочных параметров, которые ранее не рассматрива-
лись. Сборка на основе использования методов взаимозаменяемости деталей не
предусматривает существенного вмешательства в процесс формирования вы-
ходных параметров, а ее результат фактически заключается в констатации диа-
пазона изменения замыкающего звена размерной цепи, определяемого сочета-
нием допусков деталей и случайных погрешностей. В точном машиностроении
она экономически нецелесообразна, поскольку не всегда обеспечивает качество
изделий, не позволяет воздействовать на сборочный процесс и поэтому отно-
сится к пассивным средствам достижения точности.
Большими возможностями в части управления точностью геометриче-
ских выходных параметров изделия обладают методы пригонки и регулировки,
позволяющие обеспечивать высокое качество сборки относительно простыми
воздействиями. Основной недостаток этих способов в том, что причины откло-
21
иония выходных параметров остаются непознанными, что не позволяет прогно-
зировать качество и предвидеть подобные отклонения. Именно поэтому в прак-
тике разрабатываются новые методы достижения точности и функциональных
характеристик сборки, основанные на учете реальных характеристик деталей и
активном вмешательстве в процесс. Однако в плане теоретического обобщения
данная тенденция сборки не получила развития.
Достаточное многообразие перечисленных способов достижения точно-
сти свидетельствует о сложности сборочных явлений, а схожесть первичных
признаков, вызвавших появление этих способов в разных условиях реализации,
(! ни детел ьствует об отсутствии общей методологической основы, которая по-
НЮляла бы на единых исходных принципах осуществлять сборку изделий. Ши-
рокий набор ситуационных способов сборки означает также отсутствие единой
целевой функции, которая определяла бы качество сборки, например, через
Ючпость функциональных параметров, и стала основой организации сборки.
Для создания изделий высокого качества и надежности необходимо также
учитывать более широкий ряд факторов, непосредственно влияющих на качест-
НО И надежность изделий:
•= особенности контактного взаимодействия деталей;
= деформационное состояние деталей и узлов при сборке;
влияние сборочных воздействий на формирование функциональных ха-
рнктсристик изделий машиностроения.
Очевидно, что современная тенденция повышения эффективности машин
ПИ основе интенсификации рабочих процессов, использования принципов рав-
ной прочности и надежности элементов конструкции, снижения их материало-
емкости требует разработки адекватного теоретического обоснования законо-
мерностей взаимодействия деталей в составе сборочных образований. Сущест-
вующий подход к оценке качества любых изделий основан на соответствии но-
минальных величин выходных параметров допустимому диапазону их рассеи-
ИН11ИЯ. Такое положение, в условиях вероятностной оценки качества составных
'1г1С гсй и, соответственно, внутреннего состояния изделия как сборочной систе-
мы, пс позволяет гарантировать единообразия функциональных свойств, кото-
рое выражается в показателях надежности изделий. Поэтому статистический
ПОДХОД к оценке и формированию качества машин ответственного назначения
необходимо заменить на более объективный, который должен основываться на
ущго индивидуальных свойств деталей в составе сборочных образований.
Современные направления машиностроения, связанные с повышением
потребительских требований к уровню функциональных параметров и надеж-
ности, повысили роль сборочных работ, которые во многом стали формировать
ВМХОДное качество изделий и затраты на его достижение. Стали возникать но-
вые технологические приемы, которые не вписываются в существующую клас-
сификацию методов сборки и являются повсеместным признаком недостаточ-
ного теоретического уровня сборки как этапа, формирующего основные пока-
22
затели качества машин. Анализ этих способов сборки показывает, что основной
причиной их использования является отсутствие учета внутренних связей меж-
ду деталями, которые формируются под действием сборочных или эксплуата-
ционных нагрузок.
Каждый контакт единичных неровностей поверхностей стыков можно
считать механической связью, накладываемой на деталь и лишающей ее степе-
ни свободы. Для большинства деталей совокупное множество только равнодей-
ствующих этих связей по каждой базирующей поверхности значительно пре-
вышает необходимое и достаточное количество, необходимое для придания де-
талям пространственной определенности, вследствие чего практически все де-
тали узлов и машин имеют избыточное количество базирующих связей и ста-
новятся статически неопределимыми. Это обстоятельство требует использова-
ния соответствующего подхода к оценке качества сборочных образований. По-
этому можно утверждать, что отсутствие адекватной потребностям сборки тео-
рии базирования, учитывающей указанные выше особенности взаимодействия
деталей, является основной причиной эмпиризма в сборочном производстве.
Другим допущением является идеализация форм деталей, которые пред-
ставляются в теории размерных цепей в виде правильных геометрических обра-
зов со статистическими размерами. Применение такого аналитического аппара-
та для расчета и прогнозирования сборочных параметров высокотехнологичных
изделий приводит к значительным последствиям, связанным с недооценкой
факторов, определяющих их работоспособность, которые из-за такой идеализа-
ции не учитываются. В такой ситуации единственно верным дая решения ком-
плексных задач качества сборки является использование методологии систем-
ного подхода, которая основана на учете взаимосвязи функционального качест-
ва изделий с внутренним состоянием его компонентов.
1.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗМЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ
Соединение и относительное расположение с требуемой точностью всех
деталей, составляющих машину, осуществляется при помощи технологическо-
го процесса сборки и регулировки машины. При этом устанавливаются два ви-
да связи между исполнительными поверхностями и механизмами машины.
Первый вид связи, обеспечивающий требуемое относительное движение
поверхностей и механизмов машины, носит название кинематического вида
связи (перемещение резца при нарезании резьбы на токарном станке, переме-
щение ползуна пресса и т. п.). Кинематические виды связи принято изображать
с помощью кинематической схемы машины и ее механизмов.
Второй вид связи, обеспечивающий требуемые положения исполнитель-
ных поверхностей машины, получил название размерного. Размерный вид связи
23
II спою очередь делится на два подвида: определяющий расстояния и опреде-
ляющий положение поверхностей.
При проектировании технологического процесса изготовления детали
нроктически всегда возникает необходимость в расчете размеров. Это вызвано
Н)м, что структуры конструкторских и технологических размерных цепей
Обычно не совпадают, а также тем, что в процессе обработки заготовки сущест-
пуют поверхности, которых нет в готовой детали. Для решения технологиче-
ских задач, связанных с обеспечением точности, удобно пользоваться сущест-
нующей теорией размерных цепей. Термины, обозначения и определения раз-
мерных цепей приведены в РД 50-635-87.
Размерной цепью называют совокупность геометрических размеров, рас-
положенных по замкнутому контуру, определяющих взаимоположение поверх-
поотей (или осей) одной или нескольких деталей и непосредственно участвую-
щих в решении поставленной задачи. Размерные цепи бывают плоские, парал-
лельные и пространственные. Замкнутость является обязательным условием
рпчмерной цепи.
Размерная цепь состоит из замыкающего звена и составляющих. Замы-
МНОЩим звеном Лд называется размер, который получается при обработке или
гборке размерной цепи последним. Составляющие звенья размерной цепи по
книянию на замыкающее звено делятся на увеличивающие и уменьшающие.
Сгонень влияния составляющего звена на замыкающее характеризуется коэф-
фициентом влияния £.
Увеличивающим звеном называется такое звено размерной цепи, при
ущымчении которого и постоянстве размеров остальных составляющих звеньев,
|1Шмер замыкающего звена увеличивается. Для увеличивающих звеньев
О £1; для увеличивающих звеньев плоских параллельных размерных цепей
Уменьшающим звеном называется такое звено размерной цепи, при уве-
личении которого и постоянстве размеров остальных составляющих звеньев,
|ИГ|мор замыкающего звена уменьшается. Для уменьшающих звеньев -1 < ^ < 0;
Щ1Н уменьшающих звеньев плоских параллельных размерных цепей £ = -1.
Конструкторская размерная цепь определяет расстояния между отдель-
ными поверхностями и осями поверхностей и изделий или их поворот. Такие
цепи также называют сборочными.
Технологическая размерная цепь позволяет определить расстояния между
нщюрхностями, линиями или точками деталей или изделия при выполнении
пцораций обработки или сборки, при настройке оборудования или расчете меж-
пНОрационных размеров и припусков.
При изготовлении детали заготовка обычно проходит несколько опера-
111111, на каждой из которых с неё снимается требуемая величина материала для
ШЮТОпенного образования надлежащего размера детали и относительного рас-
24
положения ее поверхностей. Следовательно, между размерами заготовки и го-
товой детали существует размерный вид связи и вид связи, обуславливающий
относительные повороты поверхностей детали.
Размерные цепи, связывающие межоперационные размеры и относитель-
ные повороты поверхностей обрабатываемых деталей, получили название меж-
операционных размерных цепей.
1.2.1. Задачи расчета размерных цепей
При расчете размерных цепей существуют две задачи: прямая и обратная.
Прямая задача (синтез) заключается в определении параметров (номи-
нальных размеров, координат середин полей допусков, допусков и предельных
отклонений) составляющих звеньев по заданным аналогичным значениям ис-
ходного (замыкающего) звена. Прямая задача не решается однозначно, так как
заданный допуск замыкающего звена и координата его середины могут быть
получены при различных сочетаниях характеристик составляющих звеньев.
Поэтому эффективность решения прямой задачи во многом определяется под-
готовкой и опытом решающего ее.
Обратная задача (анализ) заключается в определении номинального раз-
мера, координат середины поля допуска и предельных отклонений замыкающе-
го звена при заданных аналогичных значениях составляющих звеньев. Поэтому
обратная задача решается однозначно и является проверочной.
В расчетах с помощью размерных цепей необходимо принять некоторые
правила.
Для изготовляемой детали или собираемой машины составляют соответ-
ствующие схемы с изображением отрезков в виде увеличивающих и умень-
шающих звеньев. Обычно размерную цепь строят от одной из поверхностей
(оси), ограничивающих замыкающее звено. В цепь должны входить только те
составляющие звенья, которые участвуют в решении поставленной задачи, то
есть в проведении расчета. Составляющие звенья должны доходить до второй
поверхности (оси), ограничивающей замыкающее звено. Цепь должна быть
замкнутой.
1.2.2. Основные методы расчета технологических размерных цепей
Отклонения размеров звеньев размерной цепи рассчитывают двумя мето-
дами.
Сущность первого метода заключается в том, что требуемую точность
замыкающего звена размерной цепи достигают каждый раз, когда в размерную
цепь включают или заменяют в ней звенья без их выбора, подбора или измене-
ния их величин.
25
В размерных цепях, в которых должна быть обеспечена полная взаимоза-
меняемость, допуски рассчитываются по методу, который называют методом
максимума-минимума. В этом случае в расчетах учитывают максимально или
минимально возможные значения отклонений, которые и указывают на рабочих
чертежах или в технических условиях. Методика расчета по этому методу дос-
таточно проста. При его использовании обеспечивается полная взаимозаменяе-
мость, даже при самом неблагоприятном сочетании размеров. Любая деталь,
изготовленная по методу полной взаимозаменяемости, может использоваться
при сборке без подгонки или подбора. Однако при этом предъявляются слиш-
ком жесткие требования к точности составляющих звеньев (а следовательно
увеличиваются затраты на их изготовление). Этот метод экономически целесо-
образен лишь для цепей невысокой точности или состоящих из малого числа
звеньев.
Для использования метода полной взаимозаменяемости необходимо, что-
бы величины допусков TAt и средние значения размеров для всех звеньев раз-
мерной цепи mA, отвечали условиям:
п-1 п-1
= U-2)
1=1 /=1
Где i - порядковый номер звена; п - количество звеньев в размерной цепи;
£ I - передаточное отношение /-го звена размерной цепи.
Второй метод называют методом неполной взаимозаменяемости (веро-
ятностным или теоретико-вероятностным). Он основан на том, что самое не-
благоприятное сочетание размеров сразу у всех звеньев размерной цепи встре-
чается крайне редко, и поэтому учитывает не предельные, а наиболее вероят-
ные отклонения размеров звеньев в соответствии с законами их рассеяния.
Сущность метода заключается в том, что требуемую точность замыкающего
звена достигают не во всех размерных цепях, а у подавляющего их большинст-
ва, когда в размерную цепь включают все звенья вновь или в ней заменяют
часть звеньев без их выбора или подбора.
Этот метод позволяет расширить производственные допуски на изготов-
ление деталей, однако появляется риск того, что при правильном выполнении
работы будет изготовлена негодная деталь (допуски на изделие при использо-
вании этого метода остаются неизменными). Вероятность появления негодных
изделий зависит от степени расширения производственных допусков, количе-
ства звеньев в размерной цепи, законов рассеяния их размеров. Этот метод ока-
зывается более трудоемким для расчета, но значительно менее трудоемким для
изготовления деталей. Считается, что использование теоретико-вероятностного
метода экономически целесообразно уже при наличии в размерной цепи
3-4 звеньев.
26
При использовании метода неполной взаимозаменяемости расчет средних
значений размеров осуществляют так же, как и при использовании метода пол-
ной взаимозаменяемости, а величины допусков назначают более широкими.
1.2.3. Основные расчетные формулы
Номинальный размер замыкающего звена размерной цепи определяется
суммой составляющих звеньев с учетом коэффициента влияния:
лд=^,А- (1-3)
/=1
Координата середины поля допуска замыкающего звена определяется по
формуле
л-1
О-4)
i=i
где /лЛд и mAj - координаты середин полей допусков замыкающего и состав-
ляющих звеньев размерной цепи соответственно.
Допуск замыкающего звена вычисляют по следующим формулам:
- при расчете по методу’ максимума-минимума
™Д=ЖН> (1-5)
1=1
где ТИд и TAi - допуски замыкающего и составляющих звеньев размерной це-
пи соответственно;
- при расчете по теоретико-вероятностному методу
ТЛД=/ ^,.2А,.2(К4;)2, (1-6)
V м
где t - коэффициент риска, характеризующий процент выхода расчетных от-
клонений за пределы допуска; для рассеяния по законам нормального и равно-
вероятного распределения он определяется по табл. 1.1; А, - коэффициент от-
носительного рассеяния i-ro составляющего звена, характеризующий закон рас-
сеяния его величины; для закона нормального распределения А, =1/9, для за-
кона треугольника А г- = 1 / 6, для неизвестного закона распределения А, = 1 / 3.
Таблица 1.1
Значения коэффициента риска t
Процент риска 32 10 4,5 1,0 0,27 0,1 0,01
Коэффициент / 1,00 1,65 2,00 2,57 3,00 3,29 3,89
27
1.2.4. Способы решения прямой задачи
Способ равных допусков
Его принимают, если несколько составляющих звеньев имеют размеры
одного порядка и могут быть выполнены с примерно одинаковой точностью, то
ость: ТА, = ТА2 =ТА3 = ...=ТАя_3.
ТА.
Для метода максимума-минимума: TAt =----;
ГЛД
для теоретико-вероятностного метода: ТА,- =—-
Расчетные значения допусков округляют до стандартных величин, при
этом выбирают стандартные поля допусков предпочтительного применения.
Если для метода максимума-минимума равенство не точно, а для
теоретико-вероятностного метода не выполняется неравенство
7’ЛД >tA (TAt )2 в пределах 10 %, то один из допусков корректиру-
I 1=1
ют.
Способ равных допусков прост, но на него накладываются ограничения:
поминальные размеры должны быть близки и технология обработки деталей
должна быть примерно одинакова.
Способ одного квалитета
Этот способ применяют, если все составляющие цепь размеры могут
быть выполнены с допуском одного квалитета и допуски составляющих разме-
ров зависят от их номинального значения.
Для теоретико-вероятностного метода:
Л-1 Л-1 Z ___ \
i=i i=i
По условию задачи а3=а2=,..=ап_3=а , где а, - число единиц допуска,
содержащихся в допуске данного i-го размера:
а =.
СР п-1, ____ ,
1(0,45Д^+0,00Ц.ер)
м
Для метода максимума-минимума:
28
аср
1=1
а
»Р л-1
Е'Д
При невыполнении этих условий один из допусков корректируется по
другому квалитету. Ограничение области применения способа - сложность из-
готовления должна быть примерно одинакова.
Стандартный способ (РД 50-635-87)
Для метода максимума-минимума:
Т ..
ср~п-\
Для теоретико-вероятностного метода:
у, ______а________
1 ср ~ ।--------
I п-1 -
МЖ)г
1 /=1
С учётом величины номинальных размеров и сложности их изготовления,
ориентируясь на Т назначаются допуски на все составляющие звенья по
ГОСТ. При необходимости один из допусков корректируется. Этот способ не
имеет ограничений, но у него существует недостаток; он субъективен (не под-
лежит автоматизации).
1.3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ ДОСТИЖЕНИЯ
ТРЕБУЕМОЙ ТОЧНОСТИ ПРИ СБОРКЕ ГТД
Сборка машиностроительной продукции может осуществляться с исполь-
зованием одного из следующих методов достижения требуемой точности:
взаимозаменяемости (полной, неполной, групповой) или компенсации (пригон-
ки, регулирования), а также попарного или индивидуального подбора.
Известно, что для любого машиностроительного производства наиболее
производительно использование принципов взаимозаменяемости. При этом ис-
ключаются трудоемкие пригоночные и доводочные работы, снижаются требо-
вания к квалификации сборщиков, создаются предпосылки автоматизации. Од-
нако, при использовании принципа полной взаимозаменяемости в авиадвигате-
лестроении, качество деталей, поступающих на окончательную сборку, должно
быть столь высоким и стабильным, что его достижение в серийном производст-
ве авиационных двигателей встречает практически непреодолимые трудности
как в настоящее время, так и в обозримом будущем. Ультрапрецизионные ме-
тоды обработки при экстремальных требованиях к качеству всегда сложны,
29
трудоемки, недостаточно надежны и неустойчивы. Неприемлемо большая тру-
доемкость изготовления деталей сразу же сводит к нулю все преимущества ме-
тода полной взаимозаменяемости, так как общая трудоемкость изготовления
изделия оказывается в результате чрезмерно высокой. Появление же новых,
значительно более точных и одновременно не слишком дорогих методов изго-
товления деталей в ближайшее время маловероятно. Поэтому использование
метода полной взаимозаменяемости не является перспективным направлением
совершенствования технологии сборки современных ГТД.
Неперспективными при окончательной сборке ГТД являются и методы
неполной и групповой взаимозаменяемости (группового подбора или селектив-
ной сборки): первый по причине возникновения необходимости, в случае полу-
чения бракованного изделия, повторных сборок с их высокой трудоемкостью,
второй - из-за необходимости наличия очень высокой серийности выпускаемых
изделий (в то же время, практически все современные ГТД изготавливаются в
условиях мелкосерийного производства).
Методы компенсации позволяют различными способами компенсировать
неточности изготовления деталей, что дает возможность из неточных деталей
собирать точные изделия, поэтому практически всегда в том или ином виде они
применяются при сборке роторов ГТД. Широко используемый метод пригонки
в настоящее время часто является единственным способом обеспечить требуе-
мое качество сборки ГТД, но его недостатки вынуждают всеми возможными
способами избегать применения этого метода. Кроме слишком высокой трудо-
емкости и себестоимости, выполнение пригоночных работ вызывает необходи-
мость наличия в сборочном цехе металлорежущего оборудования, что означает
появление дополнительного мощного источника загрязнения, затрудняет орга-
низацию ритмичного серийного производства. По этим причинам метод при-
гонки также неперспективен и его применение оправдано только в том случае,
если никакие другие методы не позволяют получить требуемого качества сбор-
ки.
Метод регулирования обеспечивает достижение высокой точности сбор-
ки более экономичными средствами по сравнению с методом пригонки, однако,
также имеет серьезные недостатки. Так, при использовании этого метода в ре-
альных конструкциях ГТД часто возникает необходимость трудоемкой разбор-
ки собранного узла для замены компенсирующего звена и затем повторной
сборки его. Это связано с тем, что расчет требуемой величины этого звена с
помощью классической теории размерных цепей имеет совершенно недоста-
точную точность даже в том случае, если до сборки известны действительные
размеры всех деталей - составляющих звеньев собираемой размерной цепи, а
определение выходных параметров качества сборки часто возможно только по-
сле ее полного завершения. Кроме того, при использовании этого метода необ-
ходимо еще на этапе проектирования машины определить возможную величи-
ну компенсации и размеры компенсаторов, что опять-таки вызывает необходи-
30
мость рассчитывать нежесткие размерные цепи. Использование же подвижного
компенсатора значительно усложняет конструкцию узла и снижает его надеж-
ность. Более того, во многих узлах авиационных ГТД по конструктивным сооб-
ражениям нежелательно или вообще невозможно использование даже непод-
вижных компенсаторов (например, из-за снижения жесткости, надежности и
так далее). Поэтому можно сделать следующий вывод: метод регулировки яв-
ляется перспективным для обеспечения качества сборки ГТД, однако для реа-
лизации его преимуществ необходима разработка теории нежестких размерных
цепей с целью определения величины компенсирующего звена еще до физиче-
ской сборки узла, автоматизация размерных расчетов, разработка новых спосо-
бов регулирования нежестких размерных цепей с учетом условий работы изде-
лия.
Перечисленные выше пять методов достижения требуемой точности
сборки не учитывают индивидуальных особенностей каждой конкретной дета-
ли и реальной топографии поверхностей их контакта.
Этого недостатка лишен метод индивидуального подбора деталей (иногда
он называется методом попарного или непосредственного подбора - если под-
бирается пара сопрягаемых деталей, или сборкой по действительным разме-
рам), который также достаточно широко применяется при сборке высокоточ-
ных изделий, когда требования к качеству изготовления деталей значительно
превышают возможности существующих методов обработки. При попарном
подборе, как правило, подбираются охватываемая и охватывающая поверхно-
сти сопрягаемых деталей, например, хвостовик лопатки к пазу диска. Точность,
достигаемая этим методом, зависит от количества тех звеньев в цепи, размеры
которых подбираются. Чем больше звеньев содержит размерная цепь и чем
большее количество из них подбирается перед сборкой, тем выше достигаемая
при этом методе точность замыкающего звена размерной цепи.
Известны случаи, когда требования к точности сопрягаемых поверхно-
стей столь высоки, что даже при использовании метода групповой взаимозаме-
няемости приходится использовать для комплектования пар деталей внутри од-
ноименных размерных групп методы индивидуального подбора или пригонки
(а иногда и оба эти метода вместе), осуществляемые вручную. При этом ре-
зультат полностью зависит от квалификации и состояния исполнителя.
Например, при изготовлении прецизионных пар топливной аппаратуры
современных дизельных двигателей (втулка плунжера - плунжер, корпус рас-
пылителя - игла распылителя) предъявляются очень высокие требования к точ-
ности размеров (допустимый зазор в прецизионной паре обычно составляет от
0,6 до 1,6 мкм при номинальном диаметре сопряжения 8,5 мм), геометрической
форме, (конусность не более 0,3 мкм на 20 мм длины, некруглость не более
0,3 мкм, непрямолинейность не более 0,4 мкм), шероховатости (Ra от 0,04 до
0,08 мкм) и износостойкости рабочих поверхностей деталей.
31
Для выполнения столь высоких требований, вызванных большими рабо-
чими давлениями (порядка 60 МПа), сборка плунжерных пар повсеместно осу-
ществляется номинально методом групповой взаимозаменяемости. Однако, хо-
тя обычно втулки и плунжеры и сортируются по значениям диаметров, изме-
ренных в одном сечении, на 100 размерных групп через 0,5 мкм, на практике
могут быть собраны далеко не все пары из одноименных групп. Поэтому, как
правило, сначала сборщик на ощупь определяет степень подвижности плунже-
ра во втулке и гидроплотность пары и за несколько попыток вручную подбира-
ет такую пару, которая, на его взгляд, является годной. При этом номера раз-
мерных групп служат всего лишь подсказкой, ускоряющей процесс ручного
подбора. После предварительной сборки проверяется наличие самоопускания
плунжера и гидроплотность пары, в результате чего значительное число соб-
ранных пар бракуется. Бракованные пары, не имеющие подвижности (они со-
ставляют до 70 - 80 % пар рядных топливных насосов и почти все пары распре-
делительных насосов) подвергаются дополнительной взаимной притирке с аб-
разивной пастой, а пары, забракованные по гидроплотности (до 10-15 % пар),
поступают на переборку. Таким образом, величины диаметров сопрягаемых по-
верхностей, измеренные в одном сечении, не являются достаточно надежными
и информативными критериями оценки качества деталей и сортировки их на
размерные группы, поскольку обеспечивают получение всего лишь 5 -10 %)
годных изделий, даже при использовании ручного подбора пар внутри размер-
ных групп. Очевидно также, что использование дополнительных критериев ка-
чества значительно усложнит сортировку и комплектацию деталей и также не
сможет обеспечить полную взаимозаменяемость внутри размерных групп.
Возможности метода индивидуального подбора значительно увеличива-
ются в том случае, если соединяемые детали могут занимать друг относительно
друга в собранном изделии различные равноценные с конструктивной точки
зрения положения. В таком случае этот метод позволяет подобрать детали и их
положения таким образом, чтобы они в максимальной степени взаимно ком-
пенсировали погрешности друг друга, что дает возможность значительно повы-
сить качество сборки изделия, не завышая требований к качеству изготовления
его деталей.
В качестве примера рассмотрим процесс формирования технологического
дисбаланса при сборке ротора смешанной барабанно-дисковой конструкции
(рис. 1.2.), в котором детали роторного пакета последовательно базируются и
крепятся друг к другу, что приводит к последовательному суммированию их
погрешностей.
Максимально возможный технологический дисбаланс при сборке этого
ротора в самом неблагоприятном случае, когда векторы дисбалансов всех дета-
лей имеют одинаковое направление, примерно в десять раз превышает допус-
тимую величину. Для использования метода полной взаимозаменяемости в
этом случае необходимо уменьшить в среднем в десять раз (до 1 мкм) допуски
32
на радиальные и осевые биения деталей, что осуществить, при современном со-
стоянии технологии механической обработки, практически невозможно.
Рис. 1.2. Ротор компрессора газогенератора двигателя ТВД-1500: 1 - цапфа передняя;
2 - диск; 3 - проставка; 4 - болт призонный; 5 - коллектор; 6 - крыльчатка
центробежной ступени; 7 - диск-лабиринт; 8 - цапфа задняя
При серийной сборке новых изделий векторы дисбалансов составляющих
звеньев чаще всего случайны по модулю и по углу взаимного расположения, а
плотность распределения модуля вектора замыкающего звена приближается к
закону Релея, начиная уже с двух составляющих звеньев. Однако, расчеты по-
казали, что даже в самом благоприятном случае наиболее вероятная величина
начального технологического дисбаланса ротора после его сборки может в не-
сколько раз превышать допустимую и необходимо применение дополнитель-
ных технологических мероприятий. С целью компенсации погрешностей обра-
ботки деталей производится так называемая технологическая сборка, в процес-
се которой контролируются осевые и радиальные биения и при их несоответст-
вии заданным осуществляется разворот сопрягаемых деталей вокруг оси вра-
щения для достижения заданного уровня биений.
Применение метода компенсации погрешностей позволяет значительно
снизить технологический дисбаланс ротора. Однако, вследствие низкой точно-
сти и надежности, этот процесс сопровождается многочисленными вынужден-
ными переборками собранного изделия, вследствие чего его трудоемкость
чрезмерно высока.
Таким образом, существующая технология сборки ротора газогенератора
позволяет получить требуемую точность только в результате очень трудоемко-
го ручного подбора относительных положений деталей. Кроме того, статистика
показывает, что даже в этом случае на заключительных этапах сборки и балан-
сировки часто выявляются роторы со значительными отклонениями биений и
дисбалансов от допустимых. Поэтому многие роторы перебирают несколько
(до 7 - 8 и даже более) раз, несколько раз балансируют, производят доработку
деталей, а в некоторых случаях приходится проводить раскомплектацию рото-
33
ра. Причину выхода контролируемых параметров за пределы допусков устано-
вить достаточно трудно, поскольку на качество сборки ротора влияют множе-
ство ненормируемых факторов.
При комплектации ротора газогенератора и его технологической сборке
процесс осуществляется методом случайного подбора деталей. Если результаты
сборки получаются неудовлетворительными, то ротор разбирают, измеряют
биения посадочных поверхностей деталей, составляют карту биений и опреде-
ляют места наибольшего и наименьшего биения. Затем ротор вновь комплекту-
ется с учетом промеров.
Таким образом, использование метода индивидуального подбора позво-
ляет в данном случае скомплектовать ротор с минимально возможным техноло-
гическим дисбалансом, формирующимся при наибольшей взаимной компенса-
ции векторов технологических дисбалансов отдельных деталей.
Однако при использовании эмпирического подбора вручную трудоем-
кость этого метода чрезмерно высока и требует применения высококвалифици-
рованного труда. Кроме того, при традиционном осуществлении метода инди-
видуального подбора, когда рабочий производит какие-либо действия с реаль-
ными физическими объектами, этот процесс практически невозможно автома-
тизировать. Проблема сильно осложняется еще и тем, что результат сборки
нельзя заранее предсказать даже в том случае, если известны действительные
размеры всех деталей. Поэтому в большинстве случаев выходные параметры
процесса сборки достаточно надежно могут быть проконтролированы только
лишь на полностью собранном узле или даже готовом изделии в процессе его
испытания, поскольку существующая теория размерных цепей не позволяет
адекватно описывать и исследовать размерные связи в собираемой или рабо-
тающей машине. Так, если балансировка гибкого ротора ГТД производится не
на рабочих частотах, то полная характеристика достигнутого качества его урав-
новешенности, как правило, выявляется только лишь при испытании полностью
собранного двигателя, когда уравновесить его, в случае появления недопусти-
мой вибрации, балансировочными методами зачастую уже невозможно. Для
устранения недопустимого дисбаланса в этом случае необходимо разобрать
двигатель и ротор, развернуть его детали друг относительно друга, снова со-
брать и отбалансировать сначала ротор, а затем и весь двигатель. Причем осу-
ществление всех этих мероприятий отнюдь не гарантирует, что при работе пе-
ребранного таким образом двигателя снова не возникнут вибрации. Кроме того,
повторные сборки чрезвычайно трудоемки и снижают качество собираемого
изделия, поскольку после осуществления разворота деталей для компенсации
погрешностей необходимо каждый раз заново с высокой точностью обрабаты-
вать по месту отверстия под призонные болты (они соединяют детали ротора),
увеличивая их диаметры и заменяя сами болты. Поэтому одним из крупных ре-
зервов уменьшения себестоимости изготовления ГТД и одновременно улучше-
34
ния их эксплуатационных характеристик, является организация одноразовой
бездоводочной сборки их.
Под одноразовой сборкой понимают такие принципы проектирования и
выполнения сборочных и регулировочных процессов и операций, практическая
реализация которых обеспечивает в условиях серийного производства получе-
ние заданных выходных характеристик изделий без проведения переборок, пе-
реукомплектовок и последующих повторных циклов испытаний [6]. Одним из
главных условий обеспечения одноразовой сборки является наличие адекват-
ных математических моделей сборочного процесса.
Актуальной задачей является и обеспечение беспригоночной собираемо-
сти роторов ГТД, всемерное сокращение объемов совместной механической
обработки их деталей, поскольку, кроме высокой трудоемкости, пригоночные
работы являются мощным источником загрязнения и часто связаны с необхо-
димостью разборки уже собранных изделий для удаления образовавшейся
стружки.
Другим перспективным направлением повышения качества сборки рото-
ров ГТД является введение операции комплектации перед сборкой. В серийном
производстве на складе сборочного цеха всегда имеется несколько деталей ка-
ждого наименования. Все годные детали одного наименования имеют, в преде-
лах допусков, разные значения всех своих параметров. Поэтому очевидно, что
существуег некоторое наилучшее сочетание этих деталей, обеспечивающее са-
мые высокие показатели качества сборки.
Предварительное упорядоченное комплектование собираемых деталей в
настоящее время имеет довольно ограниченное применение в машинострои-
тельном производстве и чаще всего ограничивается применением сборки по ме-
тоду групповой взаимозаменяемости. Однако, сборка по методу групповой
взаимозаменяемости является лишь относительно простым случаем примене-
ния идеи предварительного упорядоченного комплектования деталей на сборку.
Между тем оно может применяться значительно шире, способствуя существен-
ному повышению технико-экономических показателей сборочных процессов.
Так, при сборке многих высокоточных изделий (например прецизионных
подшипников качения или плунжерных пар) используется комбинация методов
групповой взаимозаменяемости и индивидуального подбора, то есть в пределах
каждой группы производится еще и индивидуальный подбор сопрягаемых де-
талей. Очевидно, что использование комбинации различных методов достиже-
ния требуемой точности также является перспективным и при сборке роторов
ГТД в условиях серийного производства.
Задача предварительного упорядоченного комплектования деталей перед
сборкой может быть сведена к задаче линейного программирования о назначе-
ниях, поэтому для ее решения может быть использован какой-либо из извест-
ных методов математического программирования.
35
Очевидно также, что наиболее перспективно комплексное решение всех
задач, связанных с обеспечением качества при проектировании, изготовлении и
эксплуатацииГТД.
Глава 2. НЕЖЕСТКИЕ РАЗМЕРНЫЕ ЦЕПИ
Традиционно поиск оптимального варианта при изготовлении какого-
либо технического объекта базируется на ранее накопленном производствен-
ном и научно-экспериментальном опыте, обобщенном и систематизированном
в форме различного рода руководящих материалов (рекомендаций, справочни-
ков, нормативов, нормалей, стандартов и других документов), которые для уче-
та постоянно появляющихся новых данных должны периодически пересматри-
ваться. Используя известные методики, на основании этих руководящих мате-
риалов получают решения, которые оптимальными можно считать лишь услов-
но, так как они не могут учитывать очень многих специфических факторов. По-
этому в процессе дальнейшей эксплуатации таким образом спроектированного
и изготовленного изделия на основании постоянно накапливаемого опыта воз-
можно внесение конструктивных и технологических изменений, позволяющих
приблизиться к действительному оптимуму. Этот процесс длителен, трудоемок
и также не гарантирует получение действительно оптимального варианта ре-
шения.
Значительно более точные решения позволяет получить использование
методов теории оптимизации, основой которой является математическое моде-
лирование оптимизируемого объекта. Использование такого метода позволяет
управлять суммированием погрешностей деталей при формировании сборочной
размерной цепи и, таким образом, создавать управляемый процесс сборки. Од-
нако, применение методов теории оптимизации применительно к сборке рото-
ров ГТД вызывает большие трудности. Они связаны с тем, что процесс форми-
рования качества собираемого изделия слишком сложен и многие этапы его мо-
гут быть математически описаны только в неявном виде. Поэтому невозможно
определить в явном виде и целевую функцию. Оптимизация в этом случае мо-
жет выполняться путем рассмотрения всех возможных вариантов и выбора
лучшего из них. Это позволяет гарантировать оптимальность принимаемого
решения. Однако, применение такого способа при физически осуществляемой
сборке реального двигателя, когда количество возможных вариантов соедине-
ния деталей даже для одного их комплекта может превышать десятки миллио-
нов, невозможно.
Выход может быть в автоматизации процесса индивидуального подбора
деталей с помощью ЭВМ путем осуществления виртуальной сборки, когда ре-
альная, физически выполняемая и очень трудоемкая сборка заменяется быст-
36
рым расчетом на ЭВМ. Таким образом, метод индивидуального подбора стано-
вится компьютерной технологией, основой которой является исследование ре-
ального процесса сборки через поведение его адекватной математической мо-
дели. При этом на машину возлагается как работа по воспроизведению динами-
ки изучаемой модели (имитация ее траекторий), так и по проведению экспери-
ментов с ней.
Такой подход позволит осуществлять оптимальную комплектацию соби-
раемого узла, рассматривая для этого все имеющиеся в наличии на складе дета-
ли каждого наименования и все возможные варианты их относительного распо-
ложения в изделии, определять их оптимальное сочетание и относительное по-
ложение. Это даст возможность избежать эмпирического подбора вручную с
многочисленными повторными сборками и, несмотря на некоторое увеличение
трудоемкости контроля и комплектации, резко снизить общую трудоемкость
сборки.
2.1. ОГРАНИЧЕННОСТЬ КЛАССИЧЕСКИХ ТЕОРИЙ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
И БАЗИРОВАНИЯ
Известно, что обеспечение заданных показателей качества создаваемого
изделия в общем случае происходит по следующей цепи:
проектирование изделия => изготовление деталей => сборка и испытание.
В каждом звене этой цепи возникают свои специфические погрешности
каждого показателя качества изделия.
Для нормальной работы машины необходимо, чтобы ее детали занимали
друг относительно друга некоторое определенное положение, соответствующее
ее служебному назначению. Работоспособность любого изделия определяется
характером взаимодействия исполнительных поверхностей его деталей, кото-
рое принято формализовано отражать в виде взаимосвязей размерных парамет-
ров или размерными цепями. Проектирование технологии сборки основано на
размерном анализе этих цепей, который базируется на основных положениях
существующей теории размерных цепей, которую можно считать классической.
Под размерным анализом при этом обычно понимают некоторую совокупность
расчетно-аналитических процедур, которые осуществляются при разработке и
анализе изделий и технологических процессов. Например, при разработке и
анализе технологических процессов сборки необходимо произвести проверку
собираемости сборочных единиц, комплектов и изделий в целом; обеспечение
заданных предельных значений выходных геометрических характеристик изде-
лия или его элементов путем задания экономичных норм точности для элемен-
тов, входящих в состав изделия, или решение обратной задачи; выбор типа
сборки по уровню взаимозаменяемости.
37
В настоящее время по вопросам расчета классических размерных цепей,
критического анализа и усовершенствования методов их расчета на ЭВМ суще-
ствует большое количество научных работ. Использование их позволяет решать
практически все задачи, возникающие при создании различных конструкций и
технологий их изготовления, однако, только с учетом ограничений, принимае-
мых классической теорией размерных цепей. Эта теория рассматривает только
однородные погрешности, представляющие собой отклонение однородных па-
раметров. В получаемых с помощью этой теории уравнениях размерных цепей
выявляется обычно связь геометрических погрешностей сборочных параметров
с погрешностями размеров деталей.
Основные положения классической теории размерных цепей (терминоло-
гия, общие вопросы, методики расчета размерных цепей) регламентируются
стандартами, например РД 50-635-87. Методические положения указанных
нормативов основаны на целом ряде серьезных допущений.
1. Геометрические параметры составляющих звеньев размерных цепей ос-
таются неизменными на всех этапах жизненного цикла машины. Таким обра-
зом, детали рассматриваются как абсолютно жесткие тела, не учитываются их
силовые и температурные деформации, износ сопряженных поверхностей и
многие другие разнообразные явления, неизбежно происходящие при работе
машины.
2. Не учитывается динамический характер работы большинства машин, то
есть не учитываются различного рода мертвые ходы, шаткости, знакоперемен-
ные упругие деформации, возникающие при работе в условиях знакоперемен-
ных нагрузок.
3. Исключается взаимовлияние погрешностей составляющих звеньев и их
воздействие на закон распределения погрешностей замыкающего звена.
4. На величину замыкающего звена размерной цепи влияют только те раз-
меры, которые непосредственно входят в нее.
5. В уравнение размерной цепи входит только один размер каждой детали.
6. Не учитываются специфические особенности каждой конкретной детали,
например реальная топография ее сопрягаемых поверхностей.
7. Не учитывается возможность изменения положения деталей друг относи-
тельно друга при сборке (из-за наложения силового замыкания) или эксплуата-
ции (из-за действия эксплуатационных нагрузок).
Теория базирования, окончательно сформулированная в ее современном
виде Б. С. Балакшиным [3] и широко используемая при размерных расчетах,
также имеет ряд допущений:
- деталь или заготовка рассматривается как абсолютно жесткое тело;
- для фиксации ее положения в пространстве необходимо и достаточно на-
ложить на нее шесть связей, материализуемых в виде шести опорных точек, под
38
которыми понимаются точки первоначального касания взаимодействующих
поверхностей до нагружения тел внешними силами;
- эти шесть связей образуют комплект из трех баз.
Существует, однако, многочисленные случаи, когда основные положения
этой теории сознательно нарушаются для обеспечения требуемых качеств ма-
шины или процесса. В таких случаях на детали или заготовке возникает избы-
точный комплект связей и баз, которые «не нужны» с точки зрения теории ба-
зирования.
Теория базирования предполагает классификацию поверхностей деталей
по признаку конструктивного назначения на:
- исполнительные поверхности, с помощью которых деталь выполняет свое
служебное назначение в машине;
- основные базирующие поверхности, которыми данная деталь присоеди-
няется к другим деталям;
- вспомогательные базирующие поверхности, служащие для присоедине-
ния других деталей к данной;
- свободные поверхности, не сопрягаемые с другими поверхностями при
работе машины и лишь определяющие конструктивную завершенность форм
детали.
Для выполнения служебного назначения первые три вида поверхностей
связываются между собой размерными цепями, к ним предъявляются наиболее
высокие требования в отношении качества изготовления. Тем не менее, любая
реальная поверхность всегда имеет различные геометрические отклонения, по-
этому контактирование реальных поверхностей существенно отличается от
контактирования геометрически правильных их прототипов.
Свободные поверхности не имеют столь жестких ограничений по точно-
сти и традиционно считается, что основные требования к ним должны опреде-
ляться только исходя из декоративных соображений и экономической точности
обработки. Однако размеры этих поверхностей могут оказывать существенное
влияние на жесткость деталей, что совершенно не учитывается классической
теорией размерных цепей. Так, в роторах ГТД дискового типа величины сбо-
рочных деформаций, а следовательно, и положения исполнительных поверхно-
стей деталей после сборки, зависят от осевой жесткости дисков, которая, в свою
очередь, определяется толщиной и формой их диафрагм. Однако все поверхно-
сти, определяющие геометрическую форму диафрагмы диска, не сопрягаются с
поверхностями других деталей и по вышеприведенной классификации фор-
мально являются свободными. В результате оказывается, что точность размер-
ной цепи зависит не только от точности непосредственно входящих в нее
звеньев, но и от точности других, в том числи и свободных, поверхностей. По-
скольку на практике назначение допусков на размеры таких поверхностей по
традиции производится эмпирически то, как правило, они значительно заниже-
39
ны дая сведения к минимуму влияния отклонения размеров несопрягаемых по-
верхностей на точность размерных цепей.
Поскольку классическая теория размерных цепей использует несколько
серьезных допущений, то возникает погрешность, которую на практике стре-
мятся свести к минимуму завышением жесткости и точности деталей, эмпири-
ческим подбором оптимальных размеров деталей при доводке машины, исполь-
зованием при ее сборке методов индивидуального подбора, регулировки и при-
гонки. Обычно еще при конструировании изделия предусматривается, чтобы
эти погрешности не превышали определенных величин и не влияли заметно на
выполнение машиной ее служебного назначения. Но, тем не менее, многие па-
раметры сопряжений деталей в работающей машине заметно отличаются от
значений, определяемых при ее проектировании и сборке, и во многих случаях
изменения размеров составляющих звеньев могут быть столь существенными,
что допущения классической теории размерных цепей становятся совершенно
неприемлемыми. Поэтому та точность, которая предусматривается чертежом и
техническими требованиями и достигается в процессе сборки машины, зачас-
тую является в значительной мере условной.
Перечисленные выше факторы свидетельствуют о необходимости диф-
ференцированного подхода к использованию основных закономерностей клас-
сической теории размерных цепей и теории базирования.
В связи с этим в настоящее время актуальна новая научная проблема —
определение действительной точности машины, - именно той точности, кото-
рой она обладает в процессе работы и от которой зависит качество выполнения
ею служебного назначения, ее надежность и долговечность.
Эта проблема особенно актуальна для авиационного двигателестроения,
где большинство деталей являются нежесткими, тяжелонагруженными и рабо-
тают при изменении температур в широких пределах. Отсутствие надежных
методик расчета нежестких размерных цепей приводит к значительному удли-
нению и удорожанию этапов конструктивной доводки и технологической под-
готовки серийного производства спроектированного авиационного двигателя.
Таким образом, можно сделать следующий общий вывод: повышение
производительности и качества сборки роторов ГТД в современных условиях
может быть достигнуто путем создания управляемого по качеству процесса
сборки на основе использования достоверных аналитических методов расчета
реальных нежестких размерных цепей, а также разработки новых методов
обеспечения требуемого качества сборки.
2.2. НЕЖЕСТКИЕ РАЗМЕРНЫЕ ЦЕПИ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ РАСЧЕТА
Природа сборочных погрешностей двойственна. Одни из них определя-
ются различными отклонениями, возникающими еще в процессе изготовления
40
деталей, другие - непосредственно на сборке. И те, и другие погрешности ус-
тойчиво сохраняются в процессе эксплуатации, в значительной степени опре-
деляя качество любого высокоточного узла. С течением времени величины всех
погрешностей, как правило, постоянно увеличиваются и изделие либо выходит
из строя, либо переходит в категорию изделий более низкого качества.
Погрешности, возникающие в процессе сборки, носят наследственный
характер. Важной задачей поэтому является выявление связей и взаимовлияния
предшествующих и последующих свойств деталей изделия на его сборочные
параметры. Дальнейшее совершенствование и отработка методик точностных
расчетов в этом направлении способствуют значительному повышению основ-
ных эксплуатационных характеристик двигателя, надежности и качества.
Процесс изготовления деталей сопровождается постоянным изменением
их напряженного состояния, причинами которого являются перераспределение
остаточных напряжений: наследственных напряжений заготовки при удалении
припусков и напряжений от температурно-силового воздействия обрабаты-
вающего инструмента. В результате происходит изменение формы, особенно
заметное для нежестких деталей, для которых оно не только соизмеримо с до-
пусками на обработку, но зачастую и многократно превышает их.
Факторы, влияющие на изменение замыкающего звена в нежесткой раз-
мерной цепи очень разнообразны, взаимосвязаны и могут оказывать сущест-
венное влияние на работу любого изделия, а особенно авиационного двигателя.
Для подчеркивания специфики тех размерных цепей, к которым невоз-
можно применить допущения классической теории размерных цепей предлага-
ется термин «нежесткие размерные цепи». Определение нежестких размерных
цепей можно сформулировать следующим образом.
Под нежесткими размерными цепями будем понимать такие размерные
цепи, в которых под действием различных внутренних и внешних факторов
происходят значительные обратимые и необратимые изменения размеров со-
ставляющих звеньев, что вызывает существенное изменение величины замы-
кающего звена. Вследствие этого размеры собранного узла оказываются зави-
сящими от большого количества различных факторов: действительных разме-
ров деталей - составляющих звеньев размерной цепи, состояния поверхностно-
го слоя, шероховатости, волнистости и макрогеометрических отклонений кон-
тактирующих поверхностей, упругих и пластических свойств материалов, ве-
личин сил; прикладываемых к деталям при сборке, отклонений размеров, непо-
средственно не входящих в размерную цепь, но влияющих на жесткость дета-
лей и, таким образом, на силы и деформации в узле при его сборке и эксплуата-
ции.
По этой причине перед сборкой возникает неопределенность в отноше-
нии размера замыкающего звена собираемого узла и, как следствие, значитель-
ная погрешность сборки. Эта неопределенность существует даже в том случае,
если заранее известны действительные величины всех звеньев размерной цепи.
41
2.3. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕЖЕСТКИХ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
1. Величины составляющих, а следовательно, и замыкающих, звеньев неже-
стких размерных цепей не являются постоянными, а изменяются в результате
совместного воздействия большого количества взаимосвязанных и взаимо-
влияющих внутренних и внешних факторов.
2. Величина замыкающего звена зависит от величин звеньев, непосредст-
венно в данную размерную цепь не входящих, в том числе и от размеров, свя-
зывающих свободные поверхности (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Зависимость величины замыкающего звена от размеров, связывающих
свободные поверхности: Loos- длина ротора в осевом направлении по ободу; Lsas-длина
ротора в осевом направлении по ступице; A j и А „ - расстояние между торцами обода и
ступицы для первого и последнего дисков, соответственно; 1О- расстояние между торцами
соседних торцев обода по ободу; ls- длина ступицы диска; h - толщина диафрагмы диска
3. Величина замыкающего звена зависит от относительного расположения
составляющих звеньев. Это может относиться как к положению соседних кон-
тактирующих деталей (например, при наличии возможности два соседних дис-
ка ротора ГТД могут быть развернуты друг относительно друга на разные углы
вокруг общей оси - рис. 2.2, а), так и к порядку расположения деталей в узле
(например, может быть изменено место установки регулировочного кольца ро-
тора ГТД дисковой конструкции - рис. 2.2, б).
4. В нежесткой размерной цепи может быть сразу несколько замыкающих
звеньев (например, в размерной цепи ротора ГТД дисковой конструкции четыре
замыкающих звена: длина ротора в осевом направлении по ободу, длина ротора
в осевом направлении по ступице, расстояния между наружными по отноше-
нию к ротору торцами обода и ступицы в направлении оси вала для первого и
последнего дисков. Определить величины этих звеньев, рассматривая отдельно
42
четыре различных размерных цепи, невозможно - они существенно влияют
друг на друга).
Рис. 2.2. Влияние относительного положения составляющих звеньев на величину
замыкающего звена: eb ез, ез - эксцентриситеты, соответственно 1,2 и 3 деталей;
Д] и Д„ -расстояния между наружными по отношению к телу ротора торцами
обода и ступицы в направлении оси вала для первого и последнего дисков
Основные причины изменения величины составляющих звеньев, оказы-
вающие или могущие оказывать существенное влияние на величину замыкаю-
щего звена нежесткой размерной цепи, приведены на рис. 2.3 - 2.6.
43
Проблему обеспечения заданной точности нежестких сборочных размер-
ных цепей можно решить путем расчета таких размерных цепей с учетом всех
перечисленных выше факторов.
Рис. 2.3. Схема формирования суммарной погрешности машины
Рис. 2.4. Причины погрешностей машины, закладываемые
при ее проектировании
44
СБОРКА
Погрешность
используемого
метода достижения
точности сборки
машины
Изменение
размеров деталей
при сборке
Контактные
деформации
стыков
X
I
s
s
s
E
<u
3
§
о
§
g
X
s
3
В'
6
X
§
2
ва
s
X
₽
&
ж
S
X
<D
*
S
£
О
<и
2
2
C5
X
в
л
a
X
г
g
я
1
2
C
-Э
s
§
Й
ё
&
•е*
Г)
s
г?
s
§
£
s
&
Рис. 2.5. Причины погрешностей машины, закладываемые при ее сборке
Рис. 2.6. Причины возникновения погрешностей машины при ее эксплуатации
45
2.4. РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
Для решения этой задачи необходимо выявить и проанализировать воз-
никающие при сборке ротора размерные и физические связи. С учетом выше-
изложенного, уравнение нежесткой сборочной размерной цепи в общем виде
можно записать следующим образом:
^ = fAxi)+fi{xi>zt,\x,Ed,pa) +
+ fi (xi>zi ’P’Ed ’Pc ’Rp ,P’b,v,HB ,RB ,<sT )
где X - контролируемый размер - замыкающее звено размерной цепи; - дей-
ствительные размеры деталей, входящие в размерную цепь; zt - действитель-
ные размеры деталей, не входящие в размерную цепь, но влияющие на их объ-
емную и контактную жесткость; Ed и ц - модуль упругости и коэффициент Пу-
ассона материалов деталей; ра и рс - номинальное и контурное давления на
Ti /
контактных площадках; У = //у - степень наклепа материала поверх-
/ ** цисх
постного слоя деталей; Н.^пм и Н^исх - микротвердость поверхности и исход-
ного материала детали; /?nlax - наибольшая высота неровностей профиля;
Rp - расстояние от линии выступов до средней линии профиля (или высота
сглаживания микронеровностей); р - приведенный радиус скругления вершин
микронеровностей, b и v - параметры степенной аппроксимации начального
участка кривой опорной поверхности микронеровностей:
RB - радиус волны на поверхности; Нв - высота волны на поверхности;
- предел текучести материала детали; у - расстояние от линии выступов
(уровень сечения).
Первое слагаемое (/j) в формуле (2.1) учитывает действительные разме-
ры деталей, являющиеся составляющими звеньями рассматриваемой размерной
цепи. Зависимость Y = /(х;) известна из классической теории размерных це-
пей. Второе слагаемое (/2) учитывает деформации в размерной цепи, связан-
ные с недостаточной жесткостью деталей, входящих в нее. Зависимость вели-
чины этих деформаций от указанных параметров известна из классических
формул сопротивления материалов. Третье слагаемое (/3) учитывает деформа-
ции в размерной цепи, связанные с недостаточной жесткостью стыков сопря-
гаемых деталей. Зависимость контактных перемещений в стыках деталей от пе-
речисленных выше параметров была установлена в известных работах
И. В. Крагельского, Э. В. Рыжова, Н. Б. Демкина и многих других авторов.
46
Причинами обратимых и необратимых деформаций, сопровождающихся
существенными изменениями формы и размеров твердого тела, могут служить
механические силы, изменения температуры, поля - электрические, магнитные,
гравитационные, фазовые переходы и другие явления.
Поскольку, как было показано выше, в нежестких размерных цепях по
самым разным причинам постоянно происходят существенные изменения раз-
меров и относительного положения составляющих звеньев, необходимо считать
эти размеры переменными, то есть
х, = f(E ,v,T ,t,F), (2.2)
где Е - напряженность электромагнитного поля; а - величина остаточных на-
пряжений; v - электрическое напряжение на детали; Т - температура, при кото-
рой работает деталь; т - время работы детали; F - внешняя сила, действующая
на деталь.
При наличии вокруг детали электромагнитного поля возникает явление
магнитострикции - обратимое изменение формы и объема ферромагнитного
материала. Принято различать самопроизвольную и истинную магнитострик-
цию. Самопроизвольная магнитострикция связана с тем, что при появлении на-
магниченности кристалла в целом, в каждом его домене меняются условия рав-
новесия между узлами кристаллической решетки и возникает ее анизотропная
деформация. Истинная магнитострикция связана с параллельной ориентацией
векторов намагниченности в доменах и изменения в результате этого условий
равновесия между узлами кристаллической решетки. Магнитострикционными
колебаниями называют механические колебания, возникающие в ферромагнит-
ных материалах при их намагничивании в периодически изменяющемся маг-
нитном поле. Это физическое явление широко используется, например, в ульт-
развуковых магнитострикционных вибраторах для генерирования ультразвуков
частотой до 200 кГц.
Относительное удлинение образца зависит от природы ферромагнетика и
напряженности магнитного поля, но не зависит от направления магнитного по-
ля. Величина эффекта для объемной магнитострикции около З Ю-5, а для ли-
нейной -10-4. Магнитострикционный эффект оценивают коэффициентом маг-
нитострикции
/
и I ’
где Л/ - удлинение образца; / - первоначальная длина образца.
Коэффициент магнитострикции может быть как отрицательным, так и
положительным. Наибольшей магнитострикцией обладает сплав платины с же-
лезом, а наибольшее применение в качестве магнитострикционных материалов
имеют никель, никель-кобальтовые ферриты и реже железоалюминиевый сплав
47
алфер. Этот эффект в большой степени зависит от соотношения фаз в сплаве и
от его температуры.
Общим электромеханическим эффектом для всех диэлектриков является
электрострикция. Она проявляется в упругом (обратимом) превращении энер-
гии тела в электрическое поле и для свободного тела сопровождается увеличе-
нием его размеров.
Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) это электромеханический эф-
фект, наблюдающийся не во всех диэлектриках, а только в нецентросиммет-
ричных кристаллах. Причем, в отличие от электрострикции, пьезоэффект обра-
тим. Он может быть прямым и обратным и состоит в том, что при механиче-
ских деформациях некоторых кристаллов в определенных направлениях на их
гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Пьезоэф-
фект наблюдается в кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната
бария и других веществ. Высоким пьезоэффектом отличаются сегнетоэлектри-
ки - электрические аналоги ферромагнетиков. Они обладают большой диэлек-
трической проницаемостью и имеют петлю диэлектрического гистерезиса.
Обратный пьезоэффект заключается в изменении линейных размеров не-
которых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направле-
ния электрического поля вызывает изменение характера деформаций на проти-
воположный. Этот эффект используется для получения ультразвука с частотой
до 50 мГц.
Величина заряда, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте, опре-
деляется соотношением
<t = dnFx,
где Fx - величина силы, вызвавшей деформацию; - пьезоэлектрический мо-
дуль кристалла.
Пьезо- и магнитострикционный эффекты находят все большее примене-
ние в качестве преобразователей электрической энергии в механическую. Так, в
последнее время в качестве электромеханического преобразователя точного ка-
нала наряду с традиционными исполнительными двигателями начинают при-
менять активные упругие компенсаторы, выполняемые из пьезоэлектрических
и магнитострикционных материалов, способных в небольших пределах изме-
нять свои геометрические размеры, перемещая исполнительный орган системы
под действием управляющего электрического или магнитного полей. Активные
упругие пьезокомпенсаторы обладают недостижимыми для традиционных дви-
гателей показателями быстродействия и позволяют реализовать электромеха-
нические системы, работающие с высокой динамической точностью. Так, экс-
периментально получены управляемое ускорение исполнительного органа
свыше 2000 м/с2, время реагирования при отработке скачкообразного измене-
ния управляющего воздействия менее 100 мкс, точность линейного позициони-
48
рования 0,08 мкм, причем указанные характеристики не являются предельно
достижимыми.
Пьезоматериалы обладают высокой прочностью и модулем упругости,
сопоставимыми с аналогичными свойствами конструкционных сталей. Однако,
они обладают слабым внутренним демпфированием, следствием чего является
их сильная колебательность в переходных процессах изменения управляющего
поля и механической нагрузки. Поэтому пьезоэлементы до настоящего времени
находили широкое применение преимущественно в двух диаметрально проти-
воположных по характеру режимах: в режимах очень медленных перемещений,
когда колебательность себя не проявляет, и в резонансных системах, когда под-
держание незатухающих колебаний является целью управления. Работоспособ-
ные электроприводы с активными упругими компенсаторами реализованы
лишь в последнее время.
Причинами возникновения размерной нестабильности деталей после их
изготовления являются:
- нестабильность фазового и структурного состава материала;
- релаксация остаточных напряжений.
Превращения, вызванные нестабильностью структурно-фазового состава
материала, являются одной из причин образования остаточных напряжений при
механической и термической обработке деталей машин. Различные структурно-
фазовые составляющие в металлах имеют разную плотность. Так, мартенсит
имеет меньшую плотность, чем аустенит. Процесс изменения формы и взаим-
ного расположения поверхностей вследствие размерной нестабильности дета-
лей может протекать с различной скоростью, что обусловлено особенностями
технологического процесса их изготовления. Скорость перехода аустенита в
мартенсит значительно увеличивается при понижении температуры (например
при погружении детали в сжиженные газы или обработке ее твердой углеки-
слотой - «сухим льдом») и может составлять всего несколько минут. Величина
изменения размеров деталей вследствие этого эффекта достаточно велика. Так,
превращение 10 % аустенита в мартенсит вызывает увеличение наружного диа-
метра стальной детали на 130 мкм (при первоначальном ее диаметре 100 мм), а
переход 40 % аустенита в мартенсит - на 400 мкм. При этом обработку деталей
холодом можно производить в уже полностью собранной машине, что исполь-
зуется, например, доя исправления формы детали.
В деталях из сплавов со стабильным фазовым составом изменение разме-
ров связано только с релаксацией напряжений. В сплавах с метастабильной
структурой самопроизвольные деформации являются результатом одновремен-
ного действия обоих факторов, поскольку разные структурно-фазовые состав-
ляющие металлов имеют разные плотности. При этом фазовые и структурные
превращения интенсифицируют процессы релаксации остаточных напряжений,
49
а последние оказывают активирующее влияние на структурно-фазовые превра-
щения, направленные к достижению более равновесного состояния.
При механической обработке припуск всегда распределен неравномерно,
а удаление неравномерных припусков приводит к созданию неравномерно рас-
пределенных по обработанной поверхности детали напряжений. Чем выше ве-
личина остаточных напряжений на различных участках деталей и чем сущест-
веннее несимметричность эпюр остаточных напряжений, тем интенсивнее де-
формируются детали. Возникающие при этом погрешности для высокоточных
деталей могут быть соизмеримы с допусками на изготовление и даже превы-
шать их. Эти погрешности изменяются медленно и часто могут проявляться
лишь по истечении некоторого времени эксплуатации. В результате такой са-
мопроизвольной деформации может изменяться как положение деталей, так и
место контакта и величина контактных напряжений в их соединениях, что мо-
жет привести, например, к ухудшению точности, повышенному износу, сниже-
нию надёжности машины.
Релаксация напряжений является результатом как сдвигово-
дислокационных, так и диффузионных процессов. Преобладающая роль того
или иного явления зависит от рабочей температуры и от уровня действующих
напряжений. Наличие в кристаллической решетке многочисленных структур-
ных дефектов повышает потенциальную энергию решетки и значительно по-
нижает энергетические барьеры между смежными равновесными конфигура-
циями атомов.
Изменения микроструктуры сопряжены с перемещением атомов в решет-
ке кристалла. Для активации этого перемещения необходимо обеспечить уве-
личение его энергии путем нагрева или механического воздействия. При этом
скорость превращении описывается следующим уравнением:
где А - постоянная (частотный фактор), включающая в себя свободную энер-
гию активации, необходимую для протекания процесса; М/а - внутренняя
энергия активации; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.
В качестве характеристик размерной стабильности металлов используют-
ся различные параметры, например прецизионный предел упругости (precesion
elastic limit - PEL), сопротивление микротекучести (microyield strength - MYS).
Эти показатели определяются по величине напряжения, при котором после раз-
грузки в образце возникает либо остаточная деформация (1-2)-10~6, либо от-
клонение линейной зависимости микродеформации от нагрузки при аналогич-
ном допуске на остаточную деформацию. При нестабильном структурном и фа-
зовом состояниях металла эти параметры недостаточны, поскольку при нали-
чии диффузионной подвижности атомов микропластическая деформация раз-
50
вивается и при напряжениях, значительно меньших прецизионного предела уп-
ругости. Поэтому считается, что размерную стабильность лучше характеризо-
вать критериями релаксации напряжений или микроползучести, а количествен-
ной характеристикой ее может служить максимальная величина напряжения, не
релаксирующего в условиях испытания.
Методы расчетного прогнозирования и экспресс-диагностики размерной
нестабильности конструкций получили широкое распространение в сварочном
производстве. Однако эти методы малоэффективны в механосборочном произ-
водстве, где изготовленные детали проходят достаточно длительные циклы
пролеживания и деформирование их протекает относительно медленно. К тому
же, деформации в деталях здесь на порядок меньше и развиваются во всем объ-
еме, а не в отдельных зонах.
Для снижения остаточных напряжений и деформаций необходимо ис-
пользовать в комплексе как конструктивные, так и технологические методы.
К конструкторским методам относятся использование оптимального ма-
териала, рациональной конструкции деталей с наименьшим количеством кон-
центраторов напряжений, увеличение жёсткости.
Разработка технологических процессов изготовления деталей, обеспечи-
вающих, кроме обычных требований, стабильность поведения деталей в про-
цессе эксплуатации сложная задача. Необходимо не только получать требуемые
свойства деталей, но и сохранять их во времени.
К технологическим методам снижения остаточных напряжений относятся
естественное и искусственное старение, термообработка, правка.
Как установлено практикой, основное коробление большинства деталей
происходит за первые 3-4 месяца вылёживания, а через 9-12 месяцев короб-
ление резко замедляется. Для наиболее ответственных деталей естественное
старение может стать действенным методом, но только если оно длится не ме-
нее 12 месяцев. Однако величины деформаций после вылёживания могут пре-
вышать допуски, а исправление возникших деформаций приведет к возникно-
вению новых неравномерно распределенных остаточных напряжений. К тому
же в современных условиях предприятие не может позволить себе столь дли-
тельные производственные циклы.
Искусственное старение представляет собой нагрев до определённой
температуры, выдержку и охлаждение. Существует несколько видов искусст-
венного старения: упрочняющее тепловое старение (нагрев, выдержка и охлаж-
дение вместе с печью); термоудар (ускоренные методы термостарения); отжиг
(нагрев до определённой температуры, выдержка определённое время и охлаж-
дение). Отжиг позволяет устранить напряжения почти полностью, однако при-
водит к изменению механических свойств детали.
К методам холодной правки относится статическая перегрузка - к детали
прикладывается нагрузка, противоположная направлению имеющихся дефор-
маций. Достигаемая при этом точность не является стабильной. Поэтому дан-
51
ный метод не может быть применим к деталям после чистовой обработки, и для
высокоточных деталей во избежание возникновения дополнительных напряже-
ний и деформаций правка деталей запрещается.
Для снятия напряжений применяют также виброобработку (к заготовке
прикладываются вибрации определённой частоты). Схема такой обработки
представлена на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Схема устройства для вибрационной электроимпудьсной стабилизации
формы деталей: 1 - индуктор; 2 - обмотка индуктора; 3 - основание; 4 - обрабатываемая
деталь; 5 - ролики опорные; 6 - привод; 7 - датчики давления; 8 - коммутатор; 9 - генератор
импульсов тока; 10 - источник электрической энергии; 11 - пластина; 12 - слой пластины
высокопрочный; 13 - слой пластины электропроводящий; 14 - пружины
Однако полного снятия напряжений при виброобработке не происходит
(рис. 2.8 и 2.9).
Изменение температуры может приводить к сложным, многообразным и
тесно взаимосвязанным явлениям:
- тепловым деформациям деталей;
- изменению упругих характеристик материалов;
- изменению прочностных характеристик материалов;
- проявлению эффекта памяти формы;
- изменению магнитных и электрических свойств материалов;
- изменению скоростей и характера протекания явлений переноса материа-
ла (абсорбции, адгезии, адсорбции, коррозии, сублимации, эмиссии, эрозии);
- изменению структурно-фазового состава.
52
Рис. 2.8. Воздействие вибронагружения на остаточные напряжения, создавшие чистым
изгибом: 1 - остаточные напряжения до вибронагружения; 2 - остаточные напряжения после
вибронагружения; сто - величина остаточных напряжений; У - глубина залегания остаточных
напряжений
Тепловое расширение твердого тела связано с ангармоничностью тепло-
вых колебаний частиц его кристаллической решетки, вследствие чего с повы-
шением температуры возрастает равновесное расстояние между соседними час-
тицами твердого тела и происходит его расширение, характеризуемое обычно
средними коэффициентами линейного а; и объемного расширения в неко-
тором интервале температур:
AZ
а. =-----,
где /0 - первоначальная длина образца; А/ - увеличение длины образца;
А/ - величина изменения температуры.
Значения коэффициентов теплового расширения зависят от материалов и
температуры.
53
Рис. 2.9. Воздействие вибрационного нагружения на остаточные напряжения,
созданные обкаткой, чистым изгибом, термообработкой: 1 - остаточные напряжения до
вибронагружения; 2 - остаточные напряжения после вибронагружения; <т0 - величина
остаточных напряжений; У - глубина залегания остаточных напряжений
Упругие характеристики материалов (модули упругости при растяжении
и сдвиге) в значительной степени зависят от температуры деформации, причем
эта зависимость носит достаточно сложный характер. Для ограниченного тем-
пературного интервала (от-100°С до+100°С) изменение модуля упругости
невелико. Однако при изменении температуры на несколько сотен градусов ве-
личина этого изменения более значительна. Например, для стали при повыше-
нии температуры с 25 до 450°С модули упругости уменьшаются на 20 %, при-
чем, начиная с 300 - 400°С наблюдается расхождение между значениями моду-
лей, определенными при статических и динамических испытаниях. Поэтому
считается, что при высоких температурах более надежными являются динами-
ческие методы измерения упругости.
Изменение модуля упругости материала приводит к изменению жестко-
сти, величин объемных и контактных деформаций деталей, что вызывает изме-
нение величины замыкающего звена нежесткой размерной цепи.
При повышении температуры значительно изменяются все прочностные
характеристики материалов. Однако для оценки только величины изменения
замыкающего звена нежесткой размерной цепи наиболее актуальным является
изменение предела текучести материала, которое вызывает изменение величи-
ны контактного сближения деталей. При повышении температуры происходит
54
снижение предела текучести: сначала постепенное, а затем резкое. Эта зависи-
мость носит достаточно сложный характер и разная для разных материалов.
Как правило, рабочие температуры деталей расположены ниже точки резкого
падения прочности их материалов.
Изменение температуры (особенно повышение ее) нередко вызывает на-
ложение на чисто механические факторы различных физико-химических про-
цессов, как происходящих внутри самого металла (дисперсионные выделения,
оплавление легкоплавких составляющих, коагуляция дисперсных фаз, раство-
рение структурно-свободных выделений), так и обусловленных взаимодействи-
ем металла с окружающей его средой (окисление, обезуглероживание).
Под эффектом памяти формы (ЭПФ) понимается восстановление формы
образца, измененной в ходе пластической деформации при последующем на-
греве или охлаждении. В основе явления лежит термоупругое мартенситное
превращение. ЭПФ может быть однократным или обратимым. Наиболее замет-
ным ЭПФ обладают никелево-титановые (никелид титана, за рубежом они из-
вестны под названием нитинол), железо-никелевые, медно-алюминиевые и не-
которые другие сплавы. Из всех известных сплавов с ЭПФ наиболее уникальны
по спектру свойств сплавы из титана и никеля. Они развивают большие силы
при восстановлении своей формы, легко обрабатываются, из них изготавливают
всевозможные изделия: листы, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы срав-
нительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят вибрации.
В последнее время материалы с ЭПФ применяются в авиационной и аэ-
рокосмической технике для изготовления надежных неразъемных соединений,
например муфт трубопроводов, электрических разъемов, а также при монтаже
крупногабаритных конструкций в космосе. Материалы с ЭПФ характеризуются
температурами начала и конца перехода в мартенситное и аустенитное состоя-
ние. Термоциклирование материала с ЭПФ под нагрузкой через интервал фазо-
вого перехода вызывает накопление и полный или частичный возврат деформа-
ции мартенситной неупругости.
Все перечисленные выше явления происходят во времени, причем дли-
тельность их может быть самой разнообразной - от нескольких миллисекунд до
сотен и тысяч часов.
Внешние силы могут быть как постоянными по величине и направлению,
так и изменяться закономерным либо случайным образом. Воздействие посто-
янной внешней силы приводит к объемным и контактным деформациям дета-
лей, а переменная внешняя сила может приводить, кроме того, к различным ви-
дам изнашивания контактирующих поверхностей, изменению относительного
положения деталей вследствие уменьшения коэффициентов трения в посадках
и ускоренной релаксации внутренних напряжений.
С течением времени в процессе эксплуатации изделия практически всегда
происходит постепенное разрегулирование собранных узлов. Оно может возни-
кать как вследствие действия перечисленных выше причин, так и явлений пе-
55
реноса материала (износ, адгезия, коррозия, абсорбция и другие), ползучести,
изменения коэффициентов трения и натягов в посадках под действием разнооб-
разных взаимовлияющих эксплуатационных факторов.
2.5. РАЗМЕРНЫЙ АНАЛИЗ НЕЖЕСТКИХ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
После расчета номинальной величины замыкающего звена нежесткой
размерной цепи возникает задача определения влияния отклонений различных
факторов на величину поля его рассеяния. Она может быть решена расчетом
размерных цепей по предложенным уравнениям подстановкой в них наиболь-
ших и наименьших значений входящих параметров. Однако такой расчет дает
только максимальное значение погрешности и не позволяет анализировать ха-
рактер влияния отдельных факторов на величину замыкающего звена нежест-
кой размерной цепи. Поэтому представляет большой практический интерес ре-
шение данной задачи в аналитическом виде.
Поскольку полученные выше уравнения нежестких размерных цепей яв-
ляются аналитическими, их можно исследовать с помощью аппарата математи-
ческого анализа. Математически эта задача сводится к отысканию приращения
функции нескольких переменных у = f(xx ,хг ,--,хт ) при приращениях
независимых аргументов х; в окрестности некоторой точки
>Х2ОМ ,->х™м ), где х“ом - номинальное значение аргумента xt.
Для ее решения воспользуемся теоремой Тейлора: если функция у = f (х) в ин-
тервале [а, а ± й], где h > 0, непрерывна и имеет непрерывные производные от
1-й до л-й включительно, то имеет место следующее равенство:
/(а + Л)=/(а)+А/-(а)+^/«(а)+... + ^_/(”-0 (п)+^-/(л) (а + 0й),
где 0 - некоторое число, 0 < 0 < 1.
Считая величины составляющих звеньев нежесткой размерной цепи и их
погрешности взаимно независимыми, а погрешности, кроме того, малыми,
можно записать формулу Тейлора в виде степенного ряда для функции не-
скольких переменных:
/(х + й,у + й,...,/( +/) =
=f(x,y,...,ti)+t^-~hiTk+-+Tfl] f(x,y,-..,ti)+Rn, ( 3)
ы1\\дх ду dt J
где R„ - остаточный член ряда, определяемый по формуле
z \ (и+1)
R. =7-Ц- —л+—k+...+-i f(x+eih,y+e2k,...,tl
" (л + ЩЭх ду dt ) J 1 z 2 1 т '
56
О < 0, < I.
Формула (2.3) верна при тех значениях х, у,... и при которых остаточ-
ный член ряда стремится к нулю при п -> да, то есть
НтАл = Нт[/(х1,х2,...,х,„)-5„]= 0.
Известно, что для ряда Тейлора при h -> да остаточный член имеет по
крайней мере (и + 1)-й порядок малости по сравнению с h, т. е. более высокий
порядок, чем последний из оставленных для рассмотрения членов в формуле
(2.3). Поэтому для упрощения его можно не принимать во внимание и считать,
что Rn » 0.
Очевидно, что величина поля рассеяния замыкающего звена размерной
цепи может быть определена из следующего соотношения:
соУ = f(x + h,y + k,...,ti +l)~f(x,y,...,ti ).
Считая, что х = хи у = х2, = *m> , h = Дх1; к = Дх2.I = Ахт,
получаем
Л1( д _ д _ д _ ч
= —+ —^2^-+—(2.4)
(=1i\dxj дх2 дхт )
где - величина поля рассеяния I -го составляющего звена.
Для полей допусков это уравнение можно записать следующим образом:
П I ( A A A
TY = £-\—Txl+ — Tx2+ ... + —Тхп\ /(х1,х2,...,хи), (2.5)
(=1 дх2 dxm J
где Txt - величина поля допуска i -го составляющего звена.
Полученные формулы (2.4 и 2.5) аналитически отражают влияние изме-
нения отдельных факторов на величину поля рассеяния и поля допуска замы-
кающего звена нежесткой размерной цепи ротора ГТД и применимы при расче-
те на максимум-минимум. При расчете размерной цепи по вероятностному ме-
тоду можно воспользоваться известными формулами:
(2.6)
V i=l
= (2.7)
V i=i
где oi - среднее квадратичное отклонение /-го составляющего звена размерной
цепи от центра его группирования.
57
Подставляя в формулы (2.6 и 2.7) значение получаем, что поле рас-
сеяния замыкающего звена при расчете нежесткой размерной цепи по вероят-
ностному методу определяется по формуле:
д _ д _ д _
— сох. + — сох, +... +----------сохт
дх2 дхт
(2.8)
Глава 3. БАЗИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ В СБОРОЧНЫХ
ОБРАЗОВАНИЯХ
Положение детали в любом сборочном образовании определяется сово-
купностью механических связей, прикладываемых к базовым поверхностям для
создания этой пространственной определенности, что соответствует понятию
базирование. Недооценка важности вопросов сборочного базирования деталей
является источником проблем в обеспечении качества машин и отражается на
эффективности машиностроительного производства. Повышение точности из-
готовления деталей как способ безусловного обеспечения качества сборки во
многих случаях исчерпало свои возможности, поскольку критерий механиче-
ской обработки «цена - качество» достиг критической грани и уже не обеспе-
чивает заданного уровня работоспособности и точности функциональных па-
раметров современных изделий машиностроения. На сборочном этапе форми-
руются связи между сопрягаемыми поверхностями деталей, определяющие их
взаимодействие в узле и, следовательно, надежность машин, поэтому решение
проблем современного машиностроения связано с определением адекватного
места вопросов базирования деталей в технологии сборки.
3.1. РОЛЬ И МЕСТО ТЕОРИИ БАЗИРОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Для выполнения большинства технологических операций сборки машин
требуется обеспечить определенное взаимное расположение их деталей, эле-
ментов приспособлений, а также и их неподвижность, гарантирующую сохра-
нение неизменной ориентации и нормальное протекание процесса сборки. Эти
задачи, несмотря на их различие, теоретически решаются одним способом - ог-
58
раничением возможных перемещений деталей в пространстве путем приложе-
ния связей.
Под связями в механике подразумеваются ограничения, накладываемые
на движение точек рассматриваемого тела (заготовки или детали). В соответст-
вии с характером ограничений различают позиционные связи, ограничивающие
перемещения, и кинематические связи, ограничивающие скорости. В техноло-
гии машиностроения приходится иметь дело, главным образом, с позиционны-
ми связями, не зависящими от времени и называемыми стационарными пози-
ционными связями. Наиболее распространенными видами связей, ограничи-
вающих перемещение твердых тел, которые рассматриваются в задачах теоре-
тической механики, являются:
- жесткие связи с заделкой;
- связи в виде контакта подвижных и неподвижных поверхностей;
- шарнирные;
- жесткие связи с шарнирным закреплением концов;
- гибкие (односторонние) связи.
В соответствии с этой классификацией в механике используют следую-
щие способы приложения связей к твердому телу для придания ему неподвиж-
ности:
- закрепление трех точек не лежащих на одной прямой с помощью сфери-
ческих шарниров;
- закрепление с помощью шести нерастяжимых стержней (двусторонних
связей), шарнирно присоединенных к телу;
- использование девяти односторонних связей.
Известно, что для полного исключения подвижности твердого тела в про-
странстве необходимо лишить его шести степеней свободы: трех поступатель-
ных перемещений вдоль осей координат и трех вращений вокруг указанных
осей, что и достигается наложением связей. Например, для пространственной
ориентации призматического твердого тела необходимо соединить три точки
нижней поверхности, не лежащие на общей прямой, двусторонними связями с
плоскостью XOY. При этом двусторонние связи, символизируемые координата-
ми, могут быть представлены в виде недеформируемых стержней, сохраняю-
щих, однако, способность скользить по плоскости XOY вдоль осей ОХ и OY, не
отрываясь от нее и от нижней плоскости призматического тела. В данном слу-
чае недеформируемые стержни представляют собой двусторонние «идеальные
связи», число которых соответствует числу степеней свободы, отбираемых у
тела при наложении связей.
Шесть наложенных двусторонних идеальных связей обеспечивают задан-
ную ориентацию тела относительно системы координат OXYZ и фиксирование
тела в данном положении (рис. 3.1). Аналогично рассматривается базирование
двух разновидностей тел вращения - цилиндрических деталей и сферы.
59
Необходимым условием для достижения определенности базирования де-
тали на время обработки или работы является применение силового замыкания,
то есть приложение сил. Осуществление силового замыкания путем приложе-
ния нагрузки к заготовке или детали в процессе сборки через другую деталь оз-
начает добавление дополнительных связей (например силы тяжести или при-
жима), препятствующих перемещению тела в противоположном направлении.
При этом силы и моменты, создающие силовое замыкание, должны быть боль-
ше сил и моментов, возникающих в процессе обработки или работы машины.
Рис. 3.1. Схемы базирования элементарных тел
С позиций статики, силовое замыкание означает приложение односто-
ронних дополнительных связей в виде соответствующего количества точек
контакта и увеличение количества односторонних связей. Применение устано-
вочных элементов в приспособлениях с использованием пространственного си-
лового замыкания означает использование не менее 9 односторонних связей.
Наиболее точное приближение теоретической схемы базирования к реальной в
задачах технологии машиностроения может быть обеспечено при использова-
нии геометрически правильных базовых поверхностей и установочных элемен-
тов приспособлений. При нарушении этих условий или несовпадении направ-
60
лений воспринимающих и замыкающих связей появляются моменты сил, на-
рушающие определенность базирования и приводящие к нарушению статиче-
ского равновесия.
Очевидно, что непосредственное использование положений теоретиче-
ской механики приводит к многочисленным противоречиям, поэтому для по-
вышения достоверности технологической теории базирования используются
некоторые допущения. К ним относятся:
- правильное создание или выбор надлежащих базирующих поверхностей
детали;
- выбор оппозитного расположения опорных и точек приложения сил, соз-
дающих контакт между установочными элементами и деталями для уменьше-
ния собственных деформаций деталей;
- регламентация последовательности приложения сил;
- использование дополнительного числа опор в плоскостях недостаточной
жесткости детали.
Несмотря на введение этих ограничений при строгой научной обоснован-
ности положений теоретической механики, использование теории базирования
приводит к многочисленным проблемам. Особенно недопустим такой подход к
сборке наукоемких изделий машиностроения, где любые детали и сборочные
образования характеризуются реальными физическими свойствами.
3.2. ОСОБЕННОСТИ БАЗИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ В КОНСТРУКТИВНО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЯХ
Конструкции всех узлов, механизмов, машин представляют собой про-
странственные образования, состоящие из большого количества элементов, ко-
торые в реальном или упрощенном виде могут быть изображены как стержни,
пластины, оболочки или массивные элементы, соединяемые связями. Повыше-
ние нагрузочной способности или работоспособности таких конструкций воз-
можно за счет увеличения числа связей сверх предписываемого классической
механикой, т. е. использования избыточных связей, и распределения нагрузки
между ними.
Явным примером использования избыточных связей являются, например,
конструкции подшипников качения, где восприятие рабочих нагрузок осущест-
вляется одновременно многими телами качения, а основным путем повышения
их работоспособности является обеспечение равномерной нагрузки на шарики
или ролики путем снижения дисперсии их размеров. Исследования показали,
что важнейшими факторами, влияющими на распределение нагрузки между те-
лами качения, являются упругие деформации контактирующих тел и характер
их взаимодействия: радиальный зазор или натяг в подшипнике. Вследствие
особенностей конструктивного исполнения и способа приложения внешней на-
61
грузки, радиальная нагрузка будет передаваться через один шарик только до
определенного значения. При увеличении радиальной нагрузки возрастает кон-
тактная деформация деталей подшипника и уменьшается зазор между крайни-
ми шариками и внутренним кольцом. Когда величина контактной деформации
достигнет значения зазора между соседними шариками и внутренним кольцом,
произойдет касание (рис. 3.2).
Распределение нагрузки между телами качения может описываться ко-
эффициентом Kri, определяемым как отношение нагрузки Fi, воспринимаемой i
шариком к внешней радиальной нагрузке Fr. Степень участия наиболее нагру-
женного тела качения в передаче внешней радиальной нагрузки зависит от об-
щего числа тел качения, геометрии подшипника, значений радиального зазора и
внешней радиальной нагрузки. С увеличением числа тел качения и ростом на-
грузки степень неравномерности распределения нагрузки между телами каче-
ния уменьшается и стремится к асимптотическому значению 1/z. Это же озна-
чает, что возрастает несущая способность подшипника за счет увеличения из-
быточности базирования внутреннего кольца подшипника.
Рис. 3.2. Распределение нагрузки между телами качения в подшипнике
Наиболее благоприятным случаем является использование подшипников
с наименьшим радиальным зазором и максимальным количеством равновели-
ких тел качения, что увеличивает избыточность базирования внутреннего коль-
ца подшипника и повышает равномерность распределения нагрузок по шарам.
Для обеспечения герметичности стыков в гидродвигателях и гидромаши-
нах повсеместно применяются металлические уплотнения торцового типа, в ко-
62
торых герметичность обеспечивается созданием подвижного контакта уплотни-
тельных колец по плоскостям, перпендикулярным к оси вращения вала
(рис. 3.3). Поскольку основными базами уплотнения являются плоский торец 1
и наружная цилиндрическая поверхность 2, количество базирующих связей,
прикладываемых к ним, превышает теоретически необходимое, что приводит к
статической неопределимости узла и зависимости герметичности от точности
расположения торца относительно цилиндрической поверхности. Простейшим
вариантом решения проблемы обеспечения герметичности явилось предложен-
ное авторами использование эластомеров в качестве материала втулки, обла-
дающих существенно меньшей жесткостью и износостойкостью, что снижает
зависимость герметичности от точности изготовления деталей. Для расширения
температурных условий использования уплотнений предложено использование
графитовых уплотнений, обеспечивающих приработку стыка, что означает
снижение негативных последствий от избыточности базирования.
Рис. 3.3. Конструкция торцового уплотнения с металлическим кольцом
Данный пример наглядно иллюстрирует, что герметичность плоских по-
верхностей не может быть обеспечена даже по установочной схеме базирова-
ния, реализуемой в виде трех опорных точек. Полная герметичность возможна
при множественном, насыщенном контакте поверхностей, когда отсутствуют
открытые каналы для перетекания рабочих сред, т. е. количество контактных
связей должно стремиться к бесконечному числу.
Важнейшей эксплуатационной характеристикой металлорежущих стан-
ков является жесткость и вибростойкость шпиндельных узлов. С этой целью
используются конструкции опор с многорядными подшипниковыми узлами, а
также вводятся дополнительные опоры для уменьшения стрелы прогиба в сред-
них сечениях. Использование в шпиндельном узле дополнительной гидроста-
тической опоры (рис. 3.4) позволяет существенно, не менее чем на 50 %, повы-
сить виброустойчивость. Конструктивно средняя опора представляет собой
63
масляный демпфер, способствующий существенному снижению уровня коле-
баний. При воздействии силы резания F формы колебаний шпинделя, отражае-
мые изменением амплитуды колебаний А, существенно различаются: для
шпинделя с демпфированием амплитудная характеристика представлена
сплошной линией, для шпинделя без демпфера - штриховой, что характеризует
существенное различие уровней колебаний. В то же время, введение дополни-
тельной опоры означает введение дополнительных связей, повышение уровня
статической неопределимости, что также противоречит принципу необходимо-
сти и достаточности шести механических связей для обеспечения определенно-
сти расположения.
Рис. 3.4. Конструкция шпиндельного узла с масляным демпфером
Для повышения радиальной и осевой жесткости шпиндельных узлов ши-
роко используются комбинированные подшипниковые опоры, состоящие из
комплекта опорных и радиально-опорных подшипников, что может быть также
обосновано использованием избыточного количества связей.
В зависимости от особенностей станков, опоры шариковых винтов при-
вода подач могут устанавливаться как на одном, так и на обоих концах винта
(рис. 3.5). Последний прием характерен для длинных винтов, так как обеспечи-
вает их большую осевую жесткость при реверсивном перемещении узла. Кроме
того, если придать винту предварительную деформацию растяжения (пример-
но 0,01 мм/м), то при разогреве исключается его работа на продольный изгиб.
Исследования продольной жесткости винтов показали, что осевая деформация
винта, закрепленного в двух опорах при холостых перемещениях в 1,2 - 1,5 раз
меньше деформации винта с одноопорным закреплением, а тепловая погреш-
ность при таком закреплении значительно меньше за счет компенсации предва-
64
рительным растяжением. Отрицательным моментом использования дополни-
тельной опоры, повышающей количество базирующих связей, является услож-
нение технологии монтажа, повышение точностных требований к изготовле-
нию базовых поверхностей и расположению опор, что является естественным
следствием создания статической неопределимости в системе привода. Однако
эти последствия окупаются повышением эксплуатационных показателей по-
добных узлов.
Рис. 3.5. Способы крепления шарикового винта: а) схема узла крепления;
б) одноопорная схема; в) - двухопорная схема
3.3. НЕГАТИВНЫЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО
БАЗИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
В механике и ее прикладных приложениях наличие избыточных связей в
машинах и механизмах вполне обосновано ассоциируется с проблемами в обес-
печении работоспособности, точности и негативным влиянием на эксплуатаци-
онные показатели. Данные выводы опирались на примеры неудачной работы
многих конструкций, трудности их доводки, зависимость работоспособности от
влияния внешних условий. Практика создания машин методом проб и ошибок
позволила сформировать набор практических рекомендаций для конструкторов
и технологов, часть которых определяется понятиями конструкторской и сбо-
рочной технологичности. Использование подобных рекомендаций, а также
стандартизованной процедуры технологической отработки конструкций на тех-
нологичность было призвано повысить уровень конструирования и технологии
без выявления истинных причин большинства проблем. Ниже приводятся наи-
65
более наглядные случаи негативного влияния избыточности базирования дета-
лей на различные проявления эксплуатационного качества.
Снижение выносливости деталей. Статические напряжения, которые
возникают в деталях при их сборке вследствие создания дополнительных свя-
зей, могут суммироваться с эксплуатационными нагрузками, что приводит к
уменьшению запасов прочности. Например, в технике широко используются
шпилечные и болтовые резьбовые соединения деталей (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Деформация болта при реализации избыточности
вследствие затяжки гайки
При затяжке гайки моментом М до соприкосновения опорных поверхно-
стей гайки и детали и полного контакта витков гайки и болта по окружности,
сечение стержня болта повернется на угол а и возникнут напряжения изгиба,
причиной которых являются погрешности изготовления: перекосы опорных по-
верхностей деталей, неперпендикулярность торцов гаек и головок болтов отно-
сительно резьбы, непрямолинейность стержней болтов, несоосность отверстий
в деталях. Напряжения изгиба достигнут максимальной величины и будут
практически постоянными при дальнейшем увеличении напряжения растяже-
ния. При воздействии переменных нагрузок напряжение изгиба повышает
среднее напряжение цикла, а предельная амплитуда напряжений в теле болта
увеличивается до максимального значения, приводит к значительному росту и
концентрации напряжений, особенно при малых галтелях, снижает запас уста-
лостной прочности.
Первопричиной снижения работоспособности следует считать негатив-
ные реакции избыточных связей Р, возникающие при сборочной деформации
болта вследствие погрешностей изготовления деталей. Использование в ответ-
ственных изделиях самоустанавливающихся или деформируемых шайб не уст-
раняет избыточных связей, но компенсирует их негативные реакции, что по-
вышает работоспособность таких соединений.
66
Вибрации и шумоизлучение. На нынешнем этапе развития техники виб-
роакустические характеристики работы становятся одним из критериев качест-
ва изделий во всех областях машиностроения: авиации, судостроении, автомо-
билестроении и т. д. Одним из основных источников возникновения вибраций и
шума в судовых энергетических установках является планетарный редуктор
(рис. 3.7). Зубчатая передача с позиций строительной механики является упру-
гой системой с односторонними избыточными связями, которые возникают при
одновременном зацеплении нескольких зубьев колес. Зубья соприкасаются ме-
жду собой по линии, а валы со звеньями образуют кинематические пары пятого
класса. Подсчет числа избыточных связей по формуле проф. А. П. Малышева
показал, что в механизме имеется восемь избыточных связей.
Рис. 3.7. Схема планетарного редуктора с тремя сателлитами
Наличие неизбежных погрешностей изготовления и упругие деформации
элементов передачи даже при точном изготовлении зубьев приводят к тому, что
нагрузка между сателлитами распределяется неравномерно: обычно работают
два сателлита из трех, что увеличивает ее статическую неопределимость, сни-
жает нагрузочную способность механизма, приводит к генерированию шума и
вибраций. Мероприятия по уменьшению статической неопределимости конст-
рукции путем определения полей зазоров в кинематических парах, оценки
влияния погрешностей изготовления и монтажа на зазоры в кинематических
парах, использования методов взаимной компенсации погрешностей, обеспечи-
вающих выравнивание зазоров в кинематических парах, привели к существен-
ному снижению уровня избыточности базирования деталей и, как следствие,
уменьшению шума и вибраций. Комплексный подход к конструированию ре-
дукторов и оптимальному размещению виброизоляции позволил снизить шум-
ность подводных лодок в 100 и более раз за 50 лет существования атомного
подводного флота.
Изменение напряженно-деформированного состояния деталей. Конст-
рукции узлов, в которых необходимо плотное соединение деталей по несколь-
ким базовым поверхностям, представляют собой многократно статически неоп-
ределимые системы. Приложение силового замыкания при сборке приводит к
67
существенному деформационному искажению формы исполнительных поверх-
ностей, наведению внутренних напряжений в деталях. Наглядным примером
подобного деформационного искажения является конструкция корпуса, в кото-
ром с помощью винтовой пары 1 и проставочного кольца 2 осуществляется
осевая фиксация высокоточного кольца 3 (рис. 3.8, а).
Расчетное определение напряжений, создаваемых распределенной на-
грузкой через проставочное 2 кольцо и опору 4 с тремя симметрично располо-
женными площадками, показывает существенно неравномерную эпюру момен-
тов (рис. 3.8, б). Как видно из эпюры изгибающих Му и крутящих моментов
в сечении А, расположенном в районе опорных площадок, возникает значи-
тельная неравномерность касательных напряжений, приводящая к нарушению
геометрической формы кольца. При эксплуатации под воздействием рабочих
нагрузок наведенные напряжения изменяются, что приводит к еще большим
погрешностям положения или поломкам вследствие суммирования напряже-
ний.
Мкр
б
Рис. 3.8. Искажение напряженного состояния деталей с избыточным
базированием при сборке
Снижение надежности и функционального качества изделий. Традици-
онное восприятие сборочного процесса ассоциируется с достижением геомет-
рических параметров точности так называемых замыкающих звеньев размер-
68
ных цепей, к которым относятся сборочные размеры, биения и так далее, и ряда
параметров, оговоренных в технических требованиях к конструкции. Однако во
многих случаях геометрические параметры лишь косвенно определяют функ-
циональные характеристики машиностроительных изделий. Причина такого
положения кроется в отсутствии четко сформулированных критериев зависи-
мости сборочных и функциональных параметров, а также в отсутствии учета
влияния сборочного последействия деталей на эти параметры.
Вышеперечисленные примеры негативного влияния избыточности бази-
рования на работоспособность узлов и механизмов отражают основной показа-
тель качества изделий - надежность, которая формируется при сборке. Основ-
ной причиной снижения надежности в большинстве случаев являются непро-
гнозируемые искажения расчетного состояния деталей вследствие создания из-
быточных связей. Геометрические искажения от формирования избыточных
связей приводят к ухудшению разнообразных функциональных параметров, ко-
торые закладываются конструктором, но не контролируются непосредственным
образом. Например, эффективность работы турбонасосных агрегатов жидкост-
но-ракетных двигателей, компрессоров и турбин многовальных турбореактив-
ных двигателей определяется малыми зазорами между элементами ротора и
статора: зазорами в лабиринтных уплотнениях, по концам лопаток компрессора
и турбины, по буртам крыльчаток, между валами, а также динамической урав-
новешенностью роторов.
Составные дисбалансы ротора возникают при сборке вследствие измене-
ния положения дисков и их главных осей инерции при формировании избыточ-
ных связей ме:.кду горцами, имеющими отклонения от перпендикулярности от-
носительно осей (рис. 3.9). Деформирование дисков искажает прямолинейность
оси ротора, снижает устойчивость ротора на рабочих частотах, отражается на
равномерности зазоров проходных сечений, что в совокупности снижает функ-
циональное качество и надежность работы подобных узлов.
Главные центральные оси инерции дисков
Рис. 3.9. Появление динамической неуравновешенности при формировании
избыточных связей
69
3.4. СПОСОБЫ ПРЕОДОЛЕНИЯ НЕГАТИВНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ
ИЗБЫТОЧНОСТИ БАЗИРОВАНИЯ
Достижение плотности стыков между основными базами самоустанавли-
вающихся деталей является традиционным технологическим мероприятием
обеспечения явных показателей работоспособности, не требующим дополни-
тельного обоснования кроме описания сущности процессов пригонки или кон-
тактного взаимодействия. Большинство технологических проблем возникает с
обеспечением качества высокотехнологичных и прецизионных изделий, кото-
рые связаны с деформационным формированием избыточных связей между
вспомогательными базовыми поверхностями.
В теории и практике машиностроения сложилась множество способов
обеспечения работоспособности таких узлов, эффективность которых опреде-
ляется вероятностью преодоления всех негативных последствий избыточности,
поскольку до настоящего времени избыточность базирования деталей в сбо-
рочных образованиях не воспринимается в качестве основной причины низкого
качества узлов и сопряжений. Существующие рекомендации по ранжированию
базовых поверхностей, предлагаемые в научной литературе для выбора глав-
ных баз и характера посадки базовых поверхностей, основываются лишь на ус-
ловном соотношении площадей контакта соответствующих баз и не учитывают
их функционального назначения. Избыточность базирования, формируемая в
процессе соединения деталей, практически не соотносится с проблемами каче-
ства сборки, поэтому представляется актуальным выделить и проанализировать
существующие приемы повышения качества узлов с избыточным базированием
деталей.
Изменение класса кинематических пар. Проблемы негативного влияния
избыточных связей на функционирование машин и механизмов и пути преодо-
ления избыточности в механизмах впервые системно исследованы проф. Реше-
товым Л. Н. Согласно его взглядам, рационально сконструированный механизм
не должен иметь избыточных связей, что позволяет собирать его без натягов
при линейных и угловых отклонениях номинальных размеров. Основным путем
устранения избыточных кинематических связей в механизмах предлагается
уменьшение класса кинематических пар.
Данная теория, безусловно, является верной, однако использование пред-
лагаемых приемов для решения практических задач машиностроения в боль-
шинстве случаев, невозможно, поскольку проблема решается в абстрактных
понятиях теоретической механики, не учитывающих технологичность предла-
гаемых конструкций. В качестве примера можно привести предложения по из-
менению конструкции кривошипно-ползунного механизма двигателей внут-
реннего сгорания, преобразующего поступательное движение во вращательное.
Традиционная конструкция такого механизма содержит три избыточные связи,
70
которые негативно влияют на работоспособность и требуют повышения точно-
сти изготовления деталей.
Рациональным способом преодоления избыточности можно считать из-
менение конструкции путем понижения класса кинематических групп - ис-
пользование шаровых опор (рис. 3.10, а) или добавочных шарниров в виде
подшипников скольжения (рис. 3.10, б). Очевидно, что подобные изменения
типовых для машиностроения решений приводят к усложнению конструкции,
повышению трудоемкости, снижению надежности, и поэтому не приняты.
'mimmwim/mr
а б
Рис. 3.10. Уменьшение статической неопределимости механизма
путем снижения класса кинематических пар
Аналогичное решение проблемы применительно к процессу механиче-
ской обработки предлагается путем использования инструментов и приспособ-
лений, которые самоустанавливаются в процессе резания. Опыт технологии
машиностроения также показывает, что подобные решения не востребованы из-
за усложнения конструкции инструмента и приспособлений, хотя отдельные
решения могут использоваться, если невозможно иначе устранить негативные
последствия избыточности в технологических системах.
Повышение точности изготовления деталей. Качественные показатели
изделий с избыточностью базирования существенно зависят от сил и моментов
сил, прикладываемых к деталям в процессе сборки, поэтому возможно беско-
нечно большое число состояний объекта сборки вследствие непрогнозируемого
распределения деформаций от реакций избыточных связей. В изделиях низкой
или нормальной точности эти деформации составляют незначительную часть
допуска на параметры изделия и не имеют решающего влияния на качество.
При сборке высокоточных изделий деформации, возникающие при формирова-
нии избыточных связей, могут быть не только соизмеримы с допуском, но и
существенно превосходить его. Поэтому традиционным способом обеспечения
71
качества изделий является повышение точности деталей. Типовыми представи-
телями таких деталей, имеющих множественный комплект базовых поверхно-
стей, являются цилиндрические детали типа втулок (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Повышение точности деталей как способ уменьшения
негативных последствий избыточности базирования
Допуски формы, размера и расположения базирующих поверхностей та-
ких деталей составляют несколько микрометров. Шероховатость основных по-
верхностей по параметру Ra = 0,32...0,25 мкм. Высокая точность таких деталей
существенно удорожает и усложняет производство, поэтому требует использо-
вания прецизионного оборудования и строгого технико-экономического обос-
нования. В то же время, повышение точности деталей для обеспечения качества
высокотехнологичных изделий не всегда дает гарантированный результат, по-
этому применяется в сочетании с другими методами.
Деформационная компенсация. Основным проявлением последствий из-
быточного базирования деталей при сборке неподвижных сопряжений является
неравномерное деформирование деталей, создание непрогнозируемого напря-
женно-деформированного состояния материала, искажение формы образующих
и осей симметрии сложных сборочных образований. В целом эти проявления
отражают процесс саморегулирования сборочной системы, в результате кото-
рого происходит перераспределение ее внутренних нагрузок по новым сбороч-
ным связям и их выравнивание. Эффективность этого свойства сложных техни-
ческих систем можно повысить путем незначительных конструктивных изме-
нений, например, уменьшением жесткости отдельных участков детали для по-
вышения податливости и вовлечения в работу большего количества сборочных
связей. В этом случае зона деформации будет увеличена, снизится контактная
72
напряженность сборочных связей, будут созданы условия их равной нагружен-
ности.
Известным является факт, что в винтовых парах нагрузка по виткам рас-
пределяется очень неравномерно: большая часть полезной нагрузки восприни-
мается тремя первыми витками резьбы, что, в частности, снижает усталостную
прочность, увеличивает приработочный износ грузовых и ходовых винтовых
пар. Способом повышения работоспособности гайки (рис. 3.12, а), работающей
на растяжение, является ее конструктивное исполнение в виде двухступенчато-
го цилиндра (рис. 3.12, б), которое позволяет более благоприятно изменить ха-
рактер распределения напряжений и снизить их уровень (рис. 3.12, в).
Аналогичный способ компенсации избыточности базирования в системе
резьбовых соединений реализован путем создания «упругих» болтов за счет
уменьшения диаметра их гладкой части, что снижает долю изгибных напряже-
ний и повышает выносливость. Несмотря на то, что подобные приемы воспри-
нимаются как примеры удачного конструирования, знание закономерностей
сборочного взаимодействия деталей позволит на стадии проектирования осоз-
нанно нейтрализовать негативные проявления избыточных связей.
Рис. 3.12. Деформационная компенсация избыточных связей в резьбовом соединении
Макроприработка подвижных соединений. Другим проявлением свойства
саморегулирования технических систем является большой приработочный из-
нос в узлах с избыточным базированием подвижных деталей, наибольшая ин-
тенсивность которого наблюдается на начальной стадии эксплуатации. По мне-
нию проф. Решетова Л. Н., в работах которого основное внимание уделяется
негативной роли избыточных связей, угловое перемещение элементов кинема-
тической пары вследствие выборки зазора позволяет нейтрализовать негатив-
ное влияние избыточных связей, возникающих при неправильном проектиро-
вании механизма или неточностях изготовления. Поэтому наличие зазоров в
подвижных кинематических парах приводит к дополнительным угловым или
линейным подвижностям (рис. 3.13, а), которые увеличиваются при износе
(рис. 3.13, б) и являются полезными, поскольку позволяют деталям самоуста-
навливаться. Однако подобное решение проблемы избыточности базирования
существенно уменьшает ресурс и надежность механизма, поэтому снижение
73
точности изготовления деталей и сборки не может считаться способом преодо-
ления зависимости от избыточных связей.
а б
Рис. 3.13. Макроприработка подвижных соединений,
компенсирующая избыточность связей
Начальный период эксплуатации машин всегда характеризуется высокой
интенсивностью приработки сопряженных поверхностей, износ которых влияет
на выходные параметры машин, приводит к заклиниванию и разрушению со-
пряжений, способствуют прекращению функционирования машин. Исследова-
нию процессов износа трущихся поверхностей посвящено много работ, но, как,
правило, в них рассматривается износ самоустанавливающихся поверхностей,
который имеет одинаковую интенсивность по всей номинальной площади кон-
такта. В сопряжениях реальных машин трущиеся поверхности кроме микро-
геометрических отклонений имеют погрешности пространственного располо-
жения. Поэтому ведущим процессом, определяющим работоспособность сты-
ков подвижных деталей с избыточным базированием, является макроприработ-
ка, которая протекает в начальный период работы машины из-за погрешностей
базирования сопряженных поверхностей. Под влиянием эксплуатационных на-
грузок, износа сопряжений, процессов перераспределения внутренних напря-
жений в деталях может происходить нарастание повреждений.
Управление процессом саморегулирования технической системы путем
создания контролируемых условий макроприработки стыков деталей с избы-
точным базированием широко используется в технике в виде обкатай новых
машин. Такой прием позволяет перенести начальную приработку сопряжений
из эксплуатации в производственные условия, что существенно повышает каче-
ство машин и ускоряет этот период.
Сборка с взаимной компенсацией погрешностей. Перечисленные выше
способы компенсирования негативных последствий избыточности в сопряже-
74
ниях, за исключением трудновыполнимых конструктивных приемов, имеют
пассивный характер, поскольку не связаны с определением реального состоя-
ния сопряжений, величины и характера компенсируемых последствий. Одним
из наиболее продуктивных способов преодоления негативных последствий из-
быточности базирования является применение специальных приемов сборки,
которые позволяют повысить работоспособность всех избыточных связей пу-
тем взаимной компенсации погрешностей базирования сопрягаемых поверхно-
стей.
Одним из известных примеров такого подхода к уменьшению сборочной
погрешности является схема компенсации осевого люфта шпиндельного узла,
описанная Балакшиным Б. С., которая представлена как способ повышения ка-
чества сборки без дополнительного обоснования. Теоретическое доказательство
факта, что подобные приемы сборки направлены на преодоление негативных
последствий избыточности базирования, чрезвычайно важно для развития тео-
рии и практики сборочных процессов, является научным подтверждением до-
пустимости и необходимости использования избыточного базирования деталей
для обеспечения качества машин.
Классическая теория сборки основана на расчете скалярных размерных
цепей, звенья которых являются абсолютно жесткими и не имеют пространст-
венных погрешностей расположения поверхностей. Поэтому вероятность точ-
ного определения сборочных размеров изделий с избыточным базированием
деталей весьма мала. Для иллюстрации стохастического характера формирова-
ния монтажной длины как сборочного параметра узла, рассмотрим два вариан-
та взаимного расположения дисков, вспомогательные базы которых имеют от-
клонения от номинального положения, на базирующем валу (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Возможные варианты расположения дисков на валу
г
75
При случайном комплектовании узла из-за погрешностей расположения
вспомогательных баз между дисками будут иметь место зазоры, а длина сбо-
рочного пакета в зависимости от места измерения будет иметь значительный
разброс (рис. 3.14, а). При силовой сборке пакета произойдет выборка зазоров в
стыках, а негативные реакции формируемых избыточных связей приведут к де-
формированию базовой детали (рис. 3.14, б). Оптимизация порядка следования
дисков в сочетании с угловой ориентацией (рис. 3.14, в, г) для взаимной ком-
пенсации торцовых биений вспомогательных баз позволяет значительно умень-
шить разброс сборочного размера и снизить деформацию вала.
Приведенный пример отражает сущность большинства используемых в
практике сборочных приемов, заключающихся во взаимном поглощении про-
тивоположных по знаку отклонений расположения вспомогательных баз сопря-
гаемых деталей относительно основной базы. Компенсация осуществляется пу-
тем подбора или изменения порядка следования и угловой ориентации деталей
для достижения оптимального состояния сборочной системы. В качестве кри-
териев оптимизации могут использоваться размерные и физические характери-
стики качества, которые обеспечиваются при соблюдении общего условия для
любых целевых функций - достижения плотного прилегания вспомогательных
базирующих поверхностей, которое обеспечивает достижение их развитого
контактного взаимодействия, и минимальной деформации сборочной системы.
3.5. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СБОРОЧНОГО БАЗИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
3.5.1. Сборочные связи деталей машин
Образование контакта между сопрягаемыми деталями означает ограниче-
ние их перемещений в пространстве, т. е. наложение связей, которые в теорети-
ческой механике не имеют определенных физических свойств. В сборке как
процессе обеспечения функционального качества изделий под механической
связью следует понимать непосредственный точечный контакт двух поверхно-
стей, который способен воспринимать или передавать реальные физические на-
грузки. Исходя из условий работоспособности таких связей, можно определить
следующие их свойства:
- сборочная связь может быть только односторонней, т. е. ограничивать пе-
ремещение тела только в одном направлении, поскольку атомным, молекуляр-
ным или магнитным взаимодействием можно пренебречь из-за отсутствия ус-
ловий их образования;
- длина сборочной связи равна нулю, что не позволяет их адекватного мо-
делирования иными, чем точка «примитивами»;
76
- прочность контактной связи предельна и определяется механическими
свойствами материалов, геометрией поверхности, взаимным влиянием сосед-
них связей, наличием промежуточных сред.
При таком подходе возможность передачи сборочных и эксплуатацион-
ных нагрузок стыками деталей может обеспечиваться только многократным ре-
зервированием связей, то есть созданием насыщенного контакта поверхностей.
Для рассмотрения схем базирования поверхностей более удобно использовать
равнодействующие этих связей по каждой базовой поверхности, которые пред-
лагается именовать структурными, а при анализе схем базирования деталей сле-
дует рассматривать структурно-функциональные связи, которые отражают схе-
мы базирования с учетом функционального назначения всей совокупности баз.
В зависимости от конструктивного исполнения детали могут сопрягаться
друг с другом по идеализированным схемам:
- точечного контакта (шарики - кольца шарикоподшипников, рабочие по-
верхности шариковых направляющих и т. д.);
- линейного контакта (ролики и кольца роликоподшипников, колеса зубча-
тых передач, кулачки и т. д.);
- поверхностного контакта (направляющие скольжения, затянутые плоские
стыки, цилиндрические и конические сопряжения).
В реальных сопряжениях эти схемы также следует считать структурны-
ми, поскольку сборочные связи реализуются на совокупности малых площадок,
распределенных по кругу, линии или площади, соответственно.
В случае точечной схемы взаимодействия шероховатых поверхностей
между ними наблюдается упругопластический контакт, который осуществляет-
ся через связи между микронеровностями поверхностей. Часть неровностей де-
формируется пластически на величину а„„, остальные неровности - упруго а,,„.
После снятия нагрузки (рис. 3.15) радиус кривизны восстановленного отпечатка
Ri больше радиуса кривизны индентора Rz. Это означает, что понятие точечно-
го контакта соответствует лишь идеализированной схеме опорной базы, а сбо-
рочная связь между деталями осуществляется через множественность контакт-
ных связей из-за наличия технологической шероховатости, то есть является
структурной.
Рис. 3.15. Контакт упругой сферы с упруго-пластической поверхностью
77
При проектировании сопряжений, имеющих начальный контакт по ли-
нии, как правило, исходят из решения задачи Герца, полагая, что деформация в
контакте чисто упругая. При этом считается, что при повышенных требованиях
к точности (прецизионные направляющие, высокоточные подшипники) пласти-
ческие деформации в контакте совершенно недопустимы. Однако для ряда слу-
чаев (тяжело нагруженные зубчатые передачи, подшипники качения) доказано
появление малых пластических деформаций в зоне контакта, которое практиче-
ски не нарушает работоспособность таких узлов. В результате силового взаи-
модействия упругого цилиндра с поверхностью упругопластического полупро-
странства при их начальном касании возникает остаточный отпечаток шириной
2Ь (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Схема контакта упругого цилиндра 1 с контртелом 2
Расчеты показали, что в случае превышения удельной нагрузкой q значе-
ния, при котором ширина отпечатка начинает отличаться от рассчитанных по
формуле Герца, контакт становится упругопластическим и ширина линии отпе-
чатка составляет от 1 до 2,5 мм, что также свидетельствует о множественности
сборочных связей. Данный пример свидетельствует об условности допущений о
недеформируемости контакта, используемых при проектировании сборочных
образований, и необходимости учета негативных реакций избыточных контакт-
ных связей в виде дополнительных моментов в стыках в случае приложения
сходящейся совокупности сборочных или эксплуатационных сил.
Наиболее распространенный случай сборочного взаимодействия плоских
поверхностей, который реализуется при соединении развитых вспомогательных
баз деталей, может быть описан схемой последовательного формирования трех
точечных контактов (опорных баз), которую исследовали на примере сборки
дисков ротора компрессора (рис. 3.17).
78
Рис. 3.17. Схема формирования трехточечного контакта плоских поверхностей
Z' Z"
При наличии надежного направления детали Б вдоль основной базы дета-
ли А (ось Z’) первоначальный контакт вспомогательных баз будет осуществ-
ляться в точке 1. Создание развитого взаимодействия вспомогательных баз про-
изойдет путем последовательных поворотов детали Б относительно осей и
Y'. Совершенно очевидно, что такое формирование стыка может быть только
принудительным, поэтому две контактные точки (2, 3) при данной схеме бази-
рования будут являться избыточными. Реальное формирование стыка приведет
к формированию еще большего количества контактных связей, которые повы-
сят избыточность базирования деталей.
Формирование связей при сборке плоских поверхностей изначально пред-
полагает избыточность контактных связей между микронеровностями. Однако
последствия избыточности связей следует рассматривать в зависимости от ус-
ловий сопряжения. В случае свободного присоединения плоских поверхностей
наиболее общим случаем взаимодействия является упругопластическое контак-
тирование наиболее высоких выступов. С увеличением сжимающей нагрузки
контактные площадки еще больше деформируются, что приводит к сближению
деталей. В области малых давлений сближение будет расти интенсивнее, чем в
области больших вследствие увеличения фактической площади контакта и, со-
ответственно, числа избыточных связей.
Количественное изучение числа связей при контакте плоских поверхно-
стей впервые было проведено в одной из первых работ по контактной жестко-
сти. Исследование чугунных стыков размером 40 х 160 мм показали, что в слу-
чае контакта грубо (Rz = 4...7мкм) и чисто шабреных (Rz = 2...3 мкм) чугун-
ных поверхностей при давлении 1,66 МПа количество площадок контакта со-
ставляет соответственно от 12 до 18 и от 24 до 36 единиц на номинальной пло-
щади контакта размером 25 х 25 мм2. При использовании других способов ме-
ханической обработки (шлифование, притирка) оценка не проводилась по при-
чине более плотного распределения множества малых пятен контакта и их
слияния. Приведенные факты свидетельствуют о том, что любой контакт в сты-
ках деталей дискретен, а каждая площадка фактического контакта обеспечивает
несущую способность стыка и является контактной связью.
Общей тенденцией в обеспечении эксплуатационного качества машин
является повышение жесткости их стыков путем повышения точности изготов-
79
ления деталей и снижения шероховатости. Высокая энергонасыщенность ма-
шин приводит к совместности деформаций многих деталей и увеличению числа
точек контакта базирующих поверхностей, поэтому обеспечение плотности их
стыков, которое является целью конечных стадий технологических процессов и
обкатки трущихся сопряжений, по существу сводится к повышению избыточ-
ности сборочных связей между поверхностями.
Создание структурной степени избыточности базирования деталей фор-
мирует статическую неопределимость узлов, в которых избыточные связи иг-
рают двоякую роль: повышая все эксплуатационные свойства - точность, жест-
кость, надежность, являются источником проблем в производстве и эксплуата-
ции. Поэтому познание закономерностей сборочного базирования и управление
процессом формирования сборочных связей является непременным условием
обеспечения работоспособности современных машин.
3.5.2. Устойчивое базирование поверхностей- основа качества
сборочных узлов
Выполнение служебного назначения деталями в сборочных образованиях
осуществляется посредством использования всей совокупности поверхностей:
базирующих, исполнительных, свободных. Точность пространственного распо-
ложения исполнительных поверхностей, обеспечивающих выполнение служеб-
ного назначения деталей, полностью определяется стабильностью и устойчиво-
стью положения всех базовых поверхностей. В соответствии с известной клас-
сификацией Б. С. Балакшина по количеству лишаемых степеней свободы базо-
вые поверхности разделяются на следующие виды (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Классификация баз по лишаемым степеням свободы
Наименование технологической базы Количество накладываемых связей
Установочная 3
Направляющая 2
Опорная 1
Двойная направляющая 4
Двойная опорная 2
В соответствии с данной классификацией схемы базирования элементар-
ных поверхностей, которые устанавливаются с соблюдением принципов теории
базирования, должны иметь вид, представленный на рис. 3.18. При силовой
сборке даже простейшие детали базируются одновременно по двум или более
поверхностям, поэтому сочетание схем базирования даже двух элементарных
поверхностей с минимальным количеством связей, например плоской и цилин-
дрической, неизбежно приведет к появлению избыточных связей и негативных
проявлений их реакций. С усложнением деталей и при одновременном исполь-
80
зовании нескольких вспомогательных баз поверхностей избыточность базиро-
вания возрастает. Поэтому очевидно, что схемы базирования деталей в соответ-
ствии с классификацией баз по лишаемым степеням свободы сильно абстраги-
рованы от реальных условий эксплуатации машин и механизмов и не могут
обеспечить работоспособность этих изделий.
Обоснованность такого подхода к сборочному базированию деталей
можно проиллюстрировать и на примере типовой конструкции зубчатой пере-
дачи на опорах качения (рис. 3.19).
Рис. 3.18. Схемы базирования элементарных поверхностей
Рис. 3.19. Схема крепления деталей зубчатой передачи на валу
Конструктивное исполнение узла предполагает беззазорное соединение
деталей по шлицевой и цилиндрической поверхностям, а также силовое замы-
кание с помощью гайки, которое обеспечит плотность контакта торцов всех де-
81
талей. Подобные конструктивные решения выработаны длительной практикой
машиностроения, которая доказывает, что неплотно затянутые стыки приводят
к взаимным смещениям деталей, фретгинг-износу и нарушению расчетных ус-
ловий функционирования узлов. Поэтому работоспособность данного и анало-
гичных узлов будет обеспечена только при одновременном и устойчивом по-
ложении всех базовых поверхностей деталей, как основных, так и вспомога-
тельных. Следовательно, базирование всех поверхностей цилиндрических дета-
лей должно быть развитым и осуществляться одновременно по схемам устано-
вочной и двойной направляющей баз, то есть с наложением максимального ко-
личества базирующих связей на каждую поверхность. Поэтому сборочная схе-
ма беззазорного базирования цилиндрических деталей будет определяться де-
сятью структурными связями, что существенно повышает степень статической
неопределимости.
Проведенный анализ особенностей базирования деталей в сборочных об-
разованиях позволяет сформулировать следующий вывод: работоспособность
узлов машин может быть достигнута только при обеспечении устойчивого по-
ложения всех поверхностей деталей, выполняющих функцию базирующих. Это
условие будет выполняться в случае придания вспомогательным базовым по-
верхностям статуса основных баз, поэтому базирование большинства деталей,
ориентированных в сборочном пространстве через комплект элементарных ба-
зовых поверхностей, будет неизбежно избыточным.
Данный вывод диалектически противоречит теории базирования Б. С. Ба-
лакшина, разработанной применительно к технологическим средам, в которых
можно создать идеализированные условия для соблюдения ее основных прин-
ципов. Поэтому ниже предлагается ее теоретическое развитие и дополнение для
возможности использования в области проектирования сборочных процессов.
3.5.3. Структурно-функциональная модель базирования деталей
Возможность выполнения деталями служебного назначения в неподвиж-
ных узлах появляется только после образования сопряжений по всем ее базо-
вым поверхностям в процессе сборки. Безусловное выполнение служебного на-
значения становится реальным через образование максимально плотных кон-
тактов по основным и вспомогательным базам, что означает создание устойчи-
вого положения каждой из них и обеспечивается путем силового замыкания.
Как отмечено выше, использование даже двух развитых поверхностей в качест-
ве базовых приводит к возникновению избыточных связей. Однако и этот тезис
является неполным, поскольку здесь не учитываются вспомогательные поверх-
ности, через которые осуществляется силовое замыкание. В качестве примера
рассмотрим схемы базирования широко распространенных деталей, основан-
ные на выявлении структурных связей по каждой базовой поверхности
(рис. 3.20). Анализ схем показывает, что общее количество структурных связей
82
деталей, накладываемых на основные и вспомогательные базовые поверхности
для обеспечения функционального назначения, значительно превышает уро-
вень теоретической достаточности. Поэтому классификация базовых поверхно-
стей, предложенная Б. С. Балакшиным, должна быть дополнена таким класси-
фикационным признаком, как общее количество связей, прикладываемых к де-
тали через совокупность основных и вспомогательных баз.
Для нахождения числа сборочных связей предлагается рассматривать
следующие схемы базирования детали, определяемые видом, количеством при-
кладываемых связей и областью применения:
- теоретическую;
- структурно-функциональную;
- функционально-необходимую.
Теоретическая схема полностью соответствует идеализированным пред-
ставлениям механики и теории базирования Б. С. Балакшина, по которым для
создания определенности положения детали в пространстве необходимо и дос-
таточно лишить ее шести пространственных перемещений путем наложения
соответствующих связей. Ограниченность использования этой схемы заключа-
ется в том, что исходные принципы теории базирования применимы только к
абсолютно твердым телам, поэтому данная схема может использоваться на на-
чальной стадии создания машины - при разработке технического проекта и
расчете достижимой точности. Другой областью использования теоретических
схем базирования является технологическая среда, в которой возможно обеспе-
чить непротиворечивость исходных принципов технологии машиностроения.
При дальнейшей конструкторско-технологической проработке высоко-
технологичных изделий для проектирования технологии их сборки требуется
уточнение исходных схем базирования деталей, которые вследствие избыточ-
ности базирования могут негативно повлиять на качество функционирования
узлов. Результат перехода к этой стадии отражает разработку структурно-
функциональной схемы базирования, которая, как отмечалось выше, основана
на выявлении структурных связей, образующихся на всех вспомогательных ба-
зах детали при силовом замыкании стыков и обеспечивающих функциональное
назначение этих баз.
Начальным этапом создания структурно-функциональной схемы является
определение структуры базовых поверхностей, схем базирования всех струк-
турных элементов на основе принципа устойчивости каждой базовой поверхно-
сти и общей схемы базирования детали с учетом ее изменения под действием
эксплуатационных нагрузок.
оо
г
Рис. 3.20. Структурно-элементные схемы базирования реальных деталей
84
Дополнительные связи, минимально необходимые для создания устойчи-
вого положения вспомогательных базирующих поверхностей, являются избы-
точными и определяют деформационное состояние детали, являющееся объек-
том последующей сборочной оптимизации. Общее количество прикладывае-
мых к детали структурных связей Ncmp определяется выражением
(3.1)
1 1
где - количество структурных связей на основной базе; к - число вспомога-
тельных баз; Лгвб - количество структурных связей на вспомогательной базе;
i - общее число базовых поверхностей; NKg - количество структурных связей на
каждой конструкторской базе.
Использование структурно-функциональной схемы базирования на дан-
ном этапе позволяет прогнозировать возможное влияние избыточных связей на
нарушение расчетной деформационной схемы узла и определить способы ней-
трализации негативных реакций избыточных связей, то есть способы сборки.
При разработке технологических процессов изготовления деталей и в
процессе доводки изделия проводится уточнение схем базирования, характери-
стик точности деталей и качества поверхностного слоя. Для безусловного вы-
полнения служебного назначения узла поверхности деталей должны иметь мак-
симально плотный и насыщенный контакт друг с другом. Контактирование ре-
альных поверхностей всегда осуществляется по отдельным пятнам фактическо-
го контакта в пределах контурных площадок номинальной площади контакта. С
достаточной степенью достоверности можно рассчитать количество фактиче-
ских точек контакта NKOH, которые, по сути, являются механическими связями,
ограничивающими одностороннее перемещение отдельных элементов поверх-
ности. Схема базирования детали, максимально полно отражающая реальный
характер взаимодействия всех базовых поверхностей на уровне сборочных и
эксплуатационных связей является функционально-необходимой.
Выражение для определения суммарного количества сборочных связей
детали имеет вид
->», (3.2)
1
где NK0H - количество контактных связей на любой базовой поверхности детали.
Точное определение числа контактных связей в рамках поставленной за-
дачи не является принципиальным, поскольку их количество является функци-
ей большого числа параметров качества поверхностей, зависит от трудно про-
гнозируемых параметров сборочного процесса. Однако важность и необходи-
мость данной модели базирования заключается в том, что с ее помощью реали-
зуется переход от сборочных и эксплуатационных требований к уточнению
85
технологии изготовления детали, выбору методов повышения несущей способ-
ности поверхности, который происходит на этапе технологической подготовки,
а не по результатам опытной эксплуатации изделия.
Каждая из предложенных схем базирования предназначена для использо-
вания только на определенном этапе технологической подготовки производст-
ва, поэтому дополнительным классификационным признаком разработанных
схем базирования детали является четкое определение области их применения
(рис. 3.21).
Теоретическая схема базирования, разработанная Б. С. Балакшиным,
должна использоваться лишь на начальном этапе проектирования технологиче-
ских процессов и изделий машиностроения, поэтому названа проектной.
Проработка технологических и конструкторских решений, которая со-
провождается анализом взаимодействия элементов сборочных систем, соответ-
ствует сложившейся практике отработки изделий и процессов на технологич-
ность. Поэтому структурно-функциональная схема базирования, используемая
для обеспечения качества изготовления машин, называется технологической.
Точность функциональных параметров и надежность, которые определя-
ются характером сборочного и эксплуатационного взаимодействия стыков, про-
являются на этапе доводки и использования изделий по назначению, поэтому
данная схема базирования по области применения может быть названа эксплуа-
тационной.
Таким образом, анализ особенностей взаимодействия деталей в сбороч-
ных образованиях позволяет расширить представления об условиях обеспече-
ния их пространственной определенности и установить допустимые границы
применимости классической теории базирования в машиностроении рамками
проектных задач. Необоснованное расширение области использования класси-
ческой теории базирования на конструктивные образования высокой точности
и ответственного назначения является причиной несоответствия расчетных и
фактических параметров точности, снижения надежности и эксплуатационного
качества высокотехнологичных изделий. Разработанные модели базирования
деталей, дополнительные классификационные признаки расширяют границы
применимости теории базирования до высшей стадии производственного этапа
машиностроения - сборки. Использование предложенной методологии позво-
ляет прогнозировать поведение сборочных образований в эксплуатации и ком-
пенсировать негативные проявления реакций избыточных связей на технологи-
ческом этапе производства.
Рис. 3.21. Структурно-функциональная модель базирования деталей
КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ БАЗИРОВАНИЯ
ДЕТАЛИ
87
Глава 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРКИ ПУТЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ
4.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДОВ СБОРКИВ
ОБЕСПЕЧЕНИИ КАЧЕСТВА СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ
Развитие машиностроения и приборостроения, повышение уровня каче-
ства и надежности современных изделий диктует необходимость расширения
арсенала технологических приемов сборки, которые позволят осознанно выби-
рать технологию сборки, исходя из особенностей объекта, а не отношения к за-
дачам размерного анализа. Неслучайно, что общепризнанный и стандартизо-
ванный метод расчета размерных цепей подвергся серьезной коррекции, по-
зволяющей частично учитывать многообразные физические явления, которые
возникают при соединении составных частей изделий. Однако создание пере-
численных методик незначительно меняет ситуацию с обеспечением качества
сборки, поскольку они имеют статус методических рекомендаций или указа-
ний, мало распространены и не цитируются даже в специализированных на
сборочной тематике изданиях.
Достижение требуемой точности замыкающих звеньев размерных цепей
при конструировании изделий и их сборке может обеспечиваться путем ис-
пользования пяти традиционных методов:
- полной взаимозаменяемости;
- неполной взаимозаменяемости;
- групповой взаимозаменяемости;
- пригонки;
- регулирования.
Предыстория введения перечисленных методов сборки показывает, что в
данной постановке они не имеют самостоятельного значения, поскольку явля-
ются только способами решения размерных цепей, поэтому часто происходит
подмена целевой функции сборки возможностью формализации размерных
расчетов. Невозможность проведения точностных расчетов с учетов всех по-
грешностей реальных деталей из-за сложности вычислительной процедуры, от-
сутствия адекватных методик и трудностей определения реальных размерных
параметров деталей приводит к совершенствованию и развитию разнообразных
технологических приемов сборки.
Ограниченность теории размерных цепей и ее методов достижения тре-
буемой точности заключается в использовании абстракции абсолютно твердого
тела. Отражение явления изменяемости деталей как звеньев размерных цепей
при высоких технических требованиях к точности сборки потребовало введе-
ния понятий упругих и гибких тел, обладающих податливостью вследствие
контактных, объемных, температурных и прочих деформаций, разработки рас-
88
четных методик для нежестких, динамических, эксплуатационных размерных
цепей и ряда других.
Отличительной особенностью перечисленных методик является исполь-
зование компенсирующих воздействий с целью нейтрализации погрешностей
деталей и сборочного процесса. В отличие от традиционных методов достиже-
ния точности замыкающего звена, в которых компенсация закладывается кон-
структивно в виде использования специальных деталей и дополнительных сло-
ев материала, новые методы сборки основываются только на технологических
приемах. Поэтому представляется возможным и обоснованным свести все из-
вестные методы сборки в единую классификацию по признаку использования
компенсирующих воздействий на объект сборки:
- методы непосредственной сборки, при которых составляющие звенья не
подвергаются никаким изменениям;
- методы сборки с использованием конструкторской компенсации;
- методы сборки с технологической компенсацией.
Направление вектора компенсирующих воздействий имеет тенденцию к
повышению качественного уровня сборки, поскольку любое технологическое
вмешательство имеет целью повышение качества конкретного изделия путем
уточнения процесса сборки.
4.1.1. Методы непосредственной сборки
Сборка с полной взаимозаменяемостью. При реализации данного метода
все сборочные единицы должны получаться гарантированно годными, по-
скольку при любых фактических размерах деталей, находящихся в пределах
допусков, выходной параметр должен находиться в пределах, ограниченных
суммой допусков составляющих узел деталей. Данный метод сборки обеспечи-
вается расчетом размерных цепей методом максимума-минимума, который
также называют методом наихудшего случая, имея в виду, что учитываются
наиболее неблагоприятные сочетания размеров составных частей изделия.
Считается, что использование данного метода сборки целесообразно для
изделий с относительно невысокими требованиями к точности выходных па-
раметров, условий массового производства и для обеспечения эксплуатацион-
ной технологичности. При расчете размерных цепей допуски составляющих
звеньев Г, назначают, исходя из условия
т-1
Тд=Ж (4.1)
/=1
где 7д - допуск замыкающего звена; т - число звеньев в данной размерной це-
пи; - передаточное отношение составляющего звена.
89
Данное выражение означает, что гарантируется только вероятность на-
хождения сборочного размера в диапазоне, определяемом суммой допусков
размеров деталей, а обеспечить точное значение выходного параметра невоз-
можно. Традиционно считается, что при зеркально-симметричном распределе-
нии размеров сопряженных деталей, сборочный размер распределяется по нор-
мальному закону. Более поздние исследования показали, что данное утвержде-
ние не является абсолютным и определяется способом получения размеров со-
прягаемых деталей (ручным или автоматическим). На основе результатов ста-
тистического моделирования доказано, что закон распределения размеров даже
в соединениях с зеркально-симметричными распределениями асимметричен.
Центры распределения смещены с середины поля допуска посадки. Это об-
стоятельство означает, что метод полной взаимозаменяемости не позволяет
управлять качеством сборки, особенно в условиях деформированных статисти-
ческих законов распределения размеров.
Метод неполной взаимозаменяемости. Сущность метода заключается в
том, что детали соединяются непосредственным образом, но точность сбороч-
ного размера не будет гарантирована для некоторого количества изделий, оп-
ределяемого принятым риском получения брака. Основой такого решения яв-
ляются экономические преимущества от расширения допусков на составные
части, а также учет статистический природы сборочных погрешностей, так как
одновременное сочетание предельных значений размеров деталей имеет край-
не малую вероятность. Н. А. Бородачей обосновал необходимость использова-
ния метода неполной взаимозаменяемости на основе анализа размерной цепи,
состоящей из десяти звеньев, действительные значения размеров которых рас-
пределяются по закону равной вероятности (рис. 4.1, а).
Вероятность того, что в собранном узле все десять размеров будут иметь
предельные размеры в диапазоне одной десятой поля допуска, составляет
/ , \»=10
Р = — =0,0000000001.
<10 )
Рис. 4.1. Расчет вероятности неблагоприятных сочетаний предельных размеров
составляющих звеньев
90
Если все составляющие размеры распределяются по нормальному закону
(рис. 4.1 б), где вероятность нахождения размера в диапазоне от 2сг до Зо равна
2о
F(At )= )<£4, =0,023,
Зо
то вероятность того, что в одном узле сойдутся размеры, находящиеся в этих
пределах, составит
Р = (0,023 )л=5 = 0,000000006.
Распределение размеров составляющих звеньев может характеризоваться
различными законами (при обработке на токарных станках в массовом произ-
водстве - нормальным законом, в условиях серийного производства - законом
треугольника; при обработке на шлифовальных станках - законом равной ве-
роятности и т. д.). Однако в большинстве исследований считается, что распре-
деление сборочного размера всегда описывается нормальным законом, при ко-
тором отклонения сборочного размера всегда симметричны относительно цен-
тра группирования. Уравнение точности для линейных размерных цепей,
имеющих различные законы распределения размеров составляющих звеньев,
имеет вид
Тд = 2^^/2Ук,2 , (4.2)
где К, - коэффициент приведения закона распределения составляющего звена к
закону распределения замыкающего.
Данное уравнение является следствием теоремы теории вероятности:
дисперсия суммы случайных величин равняется сумме дисперсий этих величин
И
D =£п[л,.].
(4.3)
Из приведенных выражений следует вывод, аналогичный следствию
уравнения точности метода полной взаимозаменяемости: точность сборочного
размера всегда ниже точности любого из составляющих звеньев, поэтому обес-
печить в производстве точно определенное значение сборочного размера мож-
но лишь с малой долей вероятности.
Метод неполной взаимозаменяемости представляет еще меньшую веро-
ятность получения заданной точности конкретного изделия, поскольку допус-
кает долю брака, а также является неуправляемым, что исключает его исполь-
зование в производстве высоконадежных изделий. Данный вывод можно про-
иллюстрировать на примере упрощенной расчетной схемы размерной цепи де-
талей, приведенной на рис. 4.2, где четыре составляющих звена описываются
различными законами распределения.
91
Рис. 4.2. Влияние законов распределения составляющих звеньев
на закон распределения замыкающего звена
Статистически возможно получение распределения замыкающего звена,
при котором координата середины поля допуска сборочного размера совпадает
с его математическим ожиданием (Е/д = ЛОд )> однако для этого требуется
управлять законами распределения составляющих звеньев и выполнить согла-
сование параметров цепи путем использования одного из звеньев в качестве
увязочного звена. Очевидно, что в условиях производства высокоточной и тех-
нически совершенной техники, производимой на принципах единичного про-
изводства, эти условия нереализуемы.
Метод групповой взаимозаменяемости. Данный метод является уточ-
ненным вариантом метода полной взаимозаменяемости, поскольку теоретиче-
ской основой является расчет по методу максимума-минимума. Разделение де-
талей и полей допусков на несколько групп широко применяется в машино-
строении как метод уменьшения допуска посадки без повышения точности де-
талей. Это позволяет существенно повысить работоспособность соединения
без ужесточения допусков. Существенным достоинством метода является
кратное повышение точности сборочного размера, поскольку все детали сорти-
руются на размерные группы, интервал которых не превышает, как правило,
половины допуска зазора, например, в плунжерных парах. Детали, попавшие в
одноименные группы, в большинстве случаев, собирают по методу полной
взаимозаменяемости, то есть без подбора или доработки. Метод групповой
взаимозаменяемости получил распространение в массовом и крупносерийном
производстве узлов, точность которых уже невозможно или нецелесообразно
обеспечивать за счет повышения точности механической обработки деталей.
Несмотря на большие технологические возможности в достижении вы-
сокого уровня точности, данный метод также имеет существенные ограниче-
ния. Различие законов распределения деталей (рис. 4.3), входящих в размерную
цепь, приводит к неритмичной собираемости различных групп, появлению не-
укомплектованных деталей, возможным простоям.
92
Собираемость в прецизионной паре может быть охарактеризована коэф-
фициентом относительной точности
et=DJDz, (4.4)
где Г); и £>2 ~ дисперсии охватываемого и охватывающего размеров.
Рис. 4.3. Формирование сборочных размеров методом
групповой взаимозаменяемости
Различие законов распределения приводит к тому, что величина et может
принимать значения больше и меньше единицы, что приводит к появлению не-
укомплектованных деталей и появлению незавершенной продукции, что за-
трудняет использование метода групповой взаимозаменяемости для сборки
сложных прецизионных узлов.
Случайный характер связей между параметрами объединяющей детали,
участвующей одновременно в нескольких сопряжениях, требует специальной
стратегии комплектования, оптимизирующей сборку по критерию наибольшей
собираемости. В крупносерийном и массовом производствах устранение этих
недостатков может осуществляться путем управления процессами механиче-
ской обработки. Повышение качества функционирования плунжерных пар и
других прецизионных узлов, которые собираются методом групповой взаимо-
заменяемости, становится возможным путем индивидуального подбора дета-
лей, как в пределах неукомплектованных групп, так и изготовлением по факти-
ческим размерам. Это позволяет снизить неопределенность функциональных
характеристик узлов, нелинейно зависящих от геометрической точности дета-
лей. Использование дополнительных технологических воздействий в виде
93
комплектования деталей из различных групп с последующей пригонкой выво-
дит данный метод в иную классификационную группу.
4.2.2. Методы конструкторской компенсации
Основой методов данной группы является использование некоторых де-
талей в качестве звеньев, с помощью которых можно компенсировать погреш-
ности изготовления и сборки других деталей узла.
Сборка с пригонкой. При сборке методом пригонки точность достигается
путем пробных измерений и размерной обработки одной из деталей узла. Уда-
ление некоторого слоя материала Апрк с компенсирующего звена Ли (рис. 4.4),
предусмотренного в качестве припуска на поверхности компенсирующей дета-
ли, любым методом размерной обработки снижает его дисперсию, то есть не-
определенность получения замыкающего звена размерной цепи.
Рис. 4.4. Формирование допуска замыкающего звена методом пригонки
Фактически это означает замену интегрального закона распределения в
пределах допуска 7д директивным распределением, который определяется
только точностью средств измерения, методом пригонки и функциональным
допуском Т^ф на замыкающий размер Лд.
Традиционно считается, что метод пригонки должен использоваться в
условиях мелкосерийного и единичного производствах. Это утверждение нель-
зя признать обоснованным для тех случаев, когда к узлам изделий крупносе-
рийного и массового производства предъявляются высокие требования по на-
дежности и точности функциональных параметров, которые могут обеспечи-
ваться только индивидуальными воздействиями.
Сборка с регулированием. К другому методу конструкторской компенса-
ции, широко используемому для обеспечения высокого качества сборки, отно-
сится совокупность способов повышения точности замыкающего размера пу-
тем изменения - регулировки размера одного из звеньев размерной цепи. В за-
висимости от способа реализации данного метода различают регулировку с
применением неподвижного ступенчатого компенсатора и регулировку под-
94
вижными компенсаторами, в качестве которых могут использоваться клиновые
и винтовые пары. Не рассматривая особенности их реализации, являющиеся
традиционными и устоявшимися сборочными приемами, следует отметить, что
по содержанию результата сборка с регулированием аналогична методу при-
гонки. Метод позволяет снизить дисперсию замыкающего звена до уровня эко-
номически и технически целесообразной величины, что означает переход к бо-
лее осознанному управлению процессом суммирования погрешностей сборки.
При сборке со ступенчатыми компенсаторами происходит кратное уменьшение
поля рассеивания выходного размера на величину скомпенсированной части
поля допуска замыкающего звена Тк (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Формирование допуска замыкающего звена методом регулировки
ступенчатым компенсатором
Точность замыкающего звена зависит от количества ступеней или от
конструктивных особенностей компенсаторов (шага резьбы, угла клина и т. д.),
но является весьма высокой.
Проведенный анализ возможностей традиционных методов сборки пока-
зывает, что их разрешающая возможность ограничивается допущениями ис-
ходной постановки задач размерного анализа, поэтому данные методы сборки
не способны обеспечить функциональное качество высокотехнологичных из-
делий, что объясняет использование других разнообразных приемов сборки.
4.1.3. Методы технологической компенсации
Общим признаком новых способов является применение дополнитель-
ных воздействий на объект сборки, которые определяются только технологией
ведения сборочных работ и не предусматриваются конструктивным исполне-
нием деталей. На этом основании подобные способы сборки можно объеди-
нить в группу методов технологической или внутренней компенсации.
Применение большинства способов технологической компенсации пред-
полагает детерминированность характера, знака и величины компенсируемых
погрешностей. Именно поэтому технологическая компенсация обеспечивает
95
повышение воспроизводимости сборочного процесса, снижение дисперсии
сборочных параметров, возможность управления точностью сборочных про-
цессов. Для подтверждения приведенных утверждений, рассмотрим сборочные
приемы, которые на практике дополняют традиционные методы сборки, но мо-
гут быть выделены и объединены по признаку единства природы сборочных
воздействий - технологической компенсации производственных погрешностей.
Сборка путем взаимной ориентации деталей. Данный метод объединяет
группу приемов, которые различаются лишь по способам реализации компен-
сирующих воздействий. Приемы основаны на изменении положения деталей и
узлов с целью взаимного поглощения погрешностей расположения вспомога-
тельных баз деталей или узлов и достижения заданных геометрических пара-
метров (как правило, это отклонения от соосности или перекос осей).
Одним из примеров является метод сборки многоузловых агрегатов, ос-
нованный на минимизации потерь мощности: оптимальное положение редук-
тора относительно валков прокатных станов определяли путем измерения по-
требляемой мощности электродвигателем. После нахождения положения, при
котором потребляется минимальная мощность, редуктор фиксировали. Наибо-
лее часто данный метод используется для оптимизации сборки деталей, обла-
дающих поворотной симметрией, что позволяет с минимальными затратами
достичь оптимального взаимного расположения сопрягаемых поверхностей
путем изменения их углового положения.
Сборка путем подбора деталей. Данный метод может быть реализован
при сборке одного или нескольких изделий путем подбора или перестановки
некоторых деталей с целью оптимизации сборочных параметров. Индивиду-
альный подбор деталей позволяет выбрать наилучший вариант комплектации
узла при наименьших затратах труда. Примерами использования метода явля-
ются:
- сборка высокоточных подшипниковых узлов, когда по результатам об-
мера посадочных поверхностей подбирается требуемая величина натяга по
внутреннему кольцу, зазора между телами качения и беговой дорожкой, а так-
же многопараметрическая сборка резьбовых пар [57];
- сборка упругих элементов электромеханических приборов [58];
- виртуальная сборка;
- сборка по фактическим размерам [59];
- метод оптимизированного подбора [60] и т. д.
Наибольший интерес для развития теории компенсирующей сборки
представляют методы сборки изделий с перебором и ориентацией положения
деталей, которые имеют избыточность базирования. Как отмечалось выше, ос-
новным критерием сборки таких систем должен являться минимальный уро-
вень принуждения, который определяет величину и знак сборочных напряже-
ний, устойчивость узлов к воздействию сборочных и эксплуатационных натру-
96
зок, то есть робастность, и надежность всего изделия. Использование компен-
сирующих способов можно считать высшим уровнем оптимизации сборки вы-
сокотехнологичных изделий, позволяющим максимально снизить степень при-
нуждения сборочной системы. Использование внутренней компенсации повы-
шает устойчивость сборочной системы к изменению технологических и экс-
плуатационных условий и надежность высоконагруженных и ответственных
узлов и машин.
4.1.4. Методы конструкторско-технологической компенсации
Практика показывает, что путями совершенствования сборки высокотех-
нологичных изделий с жесткими размерными и функциональными допусками
выходных параметров является использование не только технологических спо-
собов, но и конструктивно-технологических, которые позволяют преодолеть
методологические недостатки существующей теории:
- отсутствие адекватных моделей для формализованного описания геомет-
рии реальных деталей;
- отсутствие математического аппарата для отражения взаимосвязей
звеньев размерной цепи;
- невозможность учета последствий сборочного принуждения к образова-
нию избыточных связей.
Использование дополнительных технологических приемов с целью со-
вершенствования традиционных методов сборки для достижения более высо-
ких показателей качества сборки, требует именовать их как конструкторско-
технологические методы. К ним можно отнести нижеприведенные методы, ос-
нованные на модификации типовых конструктивных приемов путем дополни-
тельных технологических воздействий на объекты сборки.
Групповая сборка с непосредственным или инструментальным подбо-
ром деталей [61]. Используется для сборки прецизионных малозвенных изде-
лий в условиях серийного производства. Является развитием метода сборки с
групповой взаимозаменяемостью путем использования технологических прие-
мов, поэтому может быть определен как метод конструкторско-
технологической компенсации. Данный метод, известный также как подбор
деталей по фактическим размерам [62], обеспечивает существенное повыше-
ние качества сборки по сравнению с исходным методом, но только в рамках
используемых допущений об идеализации форм деталей и жестких размерных
связей, за счет оптимизации сборочных параметров. Обеспечение дополни-
тельных функциональных требований, таких как герметичность стыков и гид-
роплотность подвижных сопряжений, может достигаться только с использова-
нием пригонки, что не противоречит предложенной классификации.
97
Сборка с компенсирующими материалами [61, 63]. Сущность метода за-
ключается в том, что в зазор между предварительно ориентированными дета-
лями вводится самотвердеющий материал, обеспечивающий после затвердева-
ния неизменность положения деталей под технологическими или эксплуатаци-
онными нагрузками. Данный способ обладает максимальной компенсирующей
возможностью, поскольку полностью исключает взаимовлияние всех погреш-
ностей изготовления и базирования деталей. Если использование метода пре-
дусматривается конструкцией, то метод следует считать конструкторско-
технологическим; в случае использования его по технологическим мотивам,
например, при ремонте машин — технологическим. Известен подобный способ
сборки, заключающийся в том, что опоры, предварительно размещенные в
гнездах с увеличенным зазором, окончательно фиксируются путем заполнения
зазора твердеющим веществом, например, полимером [64]. Однако признано,
что эксплуатационные возможности метода ограничиваются достаточным за-
пасом прочности компенсирующих материалов, технологическими ограниче-
ниями, зависимостью от точности ориентирующей оснастки, что не позволяет
использовать данный метод в жестких температурно-силовых условиях, тяже-
лонагруженных и воспринимающих ударную нагрузку передачах и при значи-
тельных ресурсах.
Сборка с совместной обработкой взаимосвязанных деталей [61]. Явля-
ется широко используемым приемом повышения качества сборки за счет одно-
временного удаления конструктивно предусмотренного припуска на сопря-
женных поверхностях. Примерами данного метода является совместная при-
тирка направляющих станков и салазок, обработка группы деталей «в сборе», в
которых дополнительный припуск остается от предшествующих операций при
изготовлении деталей, обработка на технологический размер, если непосредст-
венная сборка не обеспечивает качества. Данный метод позволяет устранить
влияние погрешностей деталей, уменьшить степень их принуждения к образо-
ванию стыков в условиях избыточного базирования. При сборке подвижных
сопряжений данный метод фактически означает перенос этапа согласования
поверхностей со стадии приработки машин в процесс изготовления, что суще-
ственно повышает эксплуатационную надежность. Метод может быть также
отнесен и к группе методов с технологической компенсацией, но при условии,
что данная компенсация не предусматривается конструкцией деталей.
Проведенный анализ позволяет достаточно четко классифицировать
большинство сборочных приемов по принципам и способам реализации
(рис. 4.6), что является необходимым условием для создания теории сборочных
процессов, выбора методов сборки при проектировании технологии. Разрабо-
танная классификация может быть дополнена любыми существующими и
вновь разрабатываемыми сборочными приемами без нарушения главного клас-
сификационного признака - принципов сборки, которые охватывают любые
возможные конструктивные и технологические решения.
98
При всем многообразии практических ситуаций, в которых используется
технологическая компенсация, их можно группировать по целям сборки:
- достижение точности геометрических параметров (сборочные размеры,
точность расположения, величина раскрытия стыка и т. п.);
- достижение заданных выходных и функциональных параметров машин
(производительность, КПД, мощность, уравновешенность и т. п.);
- обеспечение надежности узлов и машин.
Первые две группы объединяют наглядные и интуитивно понятные цели
сборочного процесса, несмотря на то, что истинные причины компенсирующих
воздействий часто остаются нераскрытыми. Это обстоятельство делает качест-
во сборочных процессов зависимым от уровня квалификации, производствен-
ного опыта исполнителей, традиций производства и многих других факторов.
Третья группа сборочных технологий является наиболее трудоемкой, за-
тратной и наукоемкой, поскольку используется для создания изделий ответст-
венного назначения и высокой точности. Используемые в них приемы до на-
стоящего времени нельзя считать теоретически изученными, поскольку в
большинстве случаев они основаны на интуитивной компенсации последствий,
а не самих причин низкого качества сборки, которые определяются принужде-
нием деталей и всей сборочной системы к формированию избыточных связей.
В целом же, разнообразие технологических компенсирующих воздейст-
вий обусловлено достижением предельного уровня экономически и технологи-
чески обоснованной точности изготовления деталей высокотехнологичной
техники, которая уже не обеспечивает автоматического достижения точности
выходных параметров.
Дальнейшее повышение качества подобных изделий возможно только
при знании закономерностей образования сборочных погрешностей и истин-
ных причин вариации качества сборки.
4.2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
КОМПЕНСИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ СБОРКЕ
Процесс создания новой техники состоит из этапов разработки техниче-
ской документации, изготовления и экспериментальной доводки. Процесс про-
ектирования обычно отождествляется с процессом разработки технической до-
кументации: здесь определяются габариты, форма, структура, геометрические
параметры, технические характеристики, оценивается осуществимость идей,
заложенных в основу изделия. Для адекватности конструктивных решений ре-
альным процессам и явлениям, возникающим при сборке, и безусловного обес-
печения заявленного качества с минимальными затратами проектирование ма-
шин и технологии должны основываться на единой теоретической базе.
Рис. 4.6. Классификация машиностроительных методов сборки
66
100
Как отмечалось ранее, основой технологии машиностроения являются
теория базирования, теория размерных цепей и вытекающие из нее методы
достижения точности замыкающего звена. Данные положения являются зако-
номерным развитием взглядов аналитической и прикладной механики приме-
нительно к потребностям технологии машиностроения, но основываются на
многочисленных допущениях и идеализациях, которые помогают логически и
непротиворечиво описывать общие закономерности построения механизмов,
машин и технологических систем, но не имеют связи с обеспечением надежно-
сти их функционирования. Эти идеализации вполне допустимо использовать
при создании машин среднего уровня качества и надежности, но для производ-
ства высокотехнологичных изделий с высоким уровнем надежности и качества
необходимо отказаться от усредненного представления деталей и их взаимо-
действий и оперировать реальными характеристиками конкретных деталей.
Упрощенный подход определения точности сборки на основе теории линейных
размерных цепей, не учитывающей погрешности формы и расположения по-
верхностей, погрешности базирования и закрепления деталей, может вносить
значительные (до 300 %) ошибки в расчетные характеристики. Использование
этих и других допущений на всех этапах создания машин приводит к значи-
тельной нестабильности качества машин.
С позиций теории надежности большинство сборочных образований
можно считать последовательными системами, не имеющими резервирования.
Поэтому игнорирование какого либо функционального параметра деталей,
возмущений сборочной системы от принуждения к образованию избыточных
связей можно рассматривать как повышение вероятности отказа независимого
элемента Р,- (г), что снижает надежность сопряжений и всего сборочного обра-
зования. Зависимость вероятности безотказной работы сборочной системы от
надежности каждого элемента, качества выполнения стыков между ними опре-
деляется выражением
= (4.5)
свидетельствующим о существенном снижении надежности с увеличением ко-
личества событий, т, е. неучитываемых погрешностей изготовления и сборки.
Поэтому практика создания новых и доводки существующих изделий с
целью повышения надежности часто заключается в эволюционном совершен-
ствовании технологических процессов сборки критичных узлов и соединений,
создании сборочных приемов, которые позволяют устранить или компенсиро-
вать негативные последствия от неучитываемых явлений сборочного взаимо-
действия деталей. Для исследования причин сборочной проблематики рас-
смотрим возможные источники непрогнозируемого поведения сборочных сис-
тем в процессах сборки и эксплуатации.
101
4.2.1. Идеализация пространственных форм деталей и взаимосвязей
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Конструктивные формы детали механизмов и машин разрабатываются,
исходя из служебного назначения, требований технологии их изготовления и
монтажа, что определяет их вид и степень приближения к геометрически пра-
вильному прототипу. Трудность точного и исчерпывающего описания реаль-
ных деталей в технологической документации приводит к тому, что в абсолют-
ном большинстве случаев технологи оперируют номинальными образами дета-
лей с размерами и техническими требованиями к точности в виде следующих
показателей:
- точность размера между поверхностями детали;
- точность поворота поверхностей;
- отклонение формы поверхностей от геометрически правильных образов.
Невозможность абсолютно точного изготовления деталей привела к ис-
пользованию допусков в качестве нормируемых допустимых отклонений раз-
меров деталей от расчетных значений. Использование этих идеализаций - гео-
метрических образов деталей с вероятностными размерами - оказывает опре-
деляющее влияние на достижение функционального качества высокотехноло-
гичных машин. Для формализованного описания деталей как тел, ограничен-
ных реальными поверхностями, широко используется идеализированное пред-
ставление в виде объемов, ограниченных геометрически правильными поверх-
ностями. С этой целью разработаны такие понятия как «прилегающая поверх-
ность», «прилегающая плоскость», «прилегающий профиль» и прочие, приве-
денные в табл. 4.1 [66]. Формализованной подход позволяет описать реальную
конфигурацию деталей через отклонения положения прилегающих поверхно-
стей, их сочетаний, а также их осей и плоскостей симметрии.
Научная основа технологии машиностроения - теории размерных цепей
и размерного анализа машин - представляет возможности расчета и прогнози-
рования геометрической точности машин, но учитывает лишь первый показа-
тель точности деталей и сборочных образований. Методики расчета размерных
цепей и размерного анализа полностью основаны на перечисленных допуще-
ниях и идеализациях, поэтому в качестве размеров используются проекции
идеализированных контуров деталей на соответствующие координатные оси.
102
Таблица 4.1
Использование аппроксимирующих элементов для формализованного
описания реальных поверхностей
Термин Определение Изображение
Отклонение от прямолинейности в плоскости Наибольшее расстояние Д от точек реального про- филя до прилегающей прямой в пределах нор- мируемого участка Прилегающая \ прямая / ' ‘ / х Реа, Т |< пре пьный >филь
Отклонение от плоскостности Наибольшее расстояние Д от точек реальной по- верхности до прилегаю- щей плоскости в пределах нормируемого участка Прилегающая \ плоскость Т А /Реальная поверхность
Отклонение от параллельности плоскостей Разность Д наибольшего и наименьшего расстояний между плоскостями в пределах нормируемого участка пг V илегаю [ПОСКО 'г щие ги l2 Q
'УТ Ъ
~а~Ь База ' Реальные поверхности
Отклонение профиля продольного сечения Наибольшее расстояние Д от точек реальной по- верхности, лежащих в плоскости, проходящей через ее ось, до соответ- ствующей стороны приле- гающего профиля в пре- делах нормируемого уча- стка Прилегающий А профиль <1
.1 / L 1/Рсальный профиль
103
Практика машиностроения показывает, что несовершенство существую-
щей методики размерного анализа является одной из причин значительного
разброса выходных параметров машин, использования пригоночных работ при
сборке, особенно при необходимости достижения насыщенного контакта по-
верхностей сопрягаемых деталей. Обеспечение максимальной плотности кон-
такта является необходимым условием обеспечения герметичности стыков,
восприятия больших статических и динамических нагрузок, высокой износо-
стойкости, контактной жесткости. Как отражение практических потребностей
разработаны методические рекомендации, в которых предложена методика
расчета размерных связей деталей с нормированными требованиями по усло-
виям контакта [65]. В основу методики положен сборочный прием нанесения
слоя копоти, величина которого должна быть в пределах от 0,014 до 0,027 мм.
Данная методика позволяет устранять влияние погрешностей формы и распо-
ложения поверхностей при избыточном базировании деталей на выходные ха-
рактеристики путем технологической компенсации, предусматривает расчет-
ное определение допусков на точность формы контактирующих поверхностей
(рис. 4.7).
Рис. 4.7. Влияние погрешностей формы сопрягаемых поверхностей на сборочный
размер и характер контактного взаимодействия
Из рис. 4.7 следует, что при наличии погрешностей формы сопрягаемых
поверхностей сборочный размер будет отличаться от расчетной величины на
величину единичного Ai или суммарного Д1 + Аг отклонений. Форма и разме-
ры пятна контакта Ф1(Ф2) будут существенно меняться в зависимости от форм
и сочетаний этих погрешностей, определяя тем самым функциональные пока-
затели и выходные характеристики узлов и машин.
104
Данная методика представляет возможность расчетного определение до-
пусков изготовление деталей с целью снижения затрат на пригонку сопряже-
ний, но не снимает принципиальных недостатков исходной теории, поскольку
основана на классической теории базировании по шести точкам и оперирует
одномерными размерными связями. В условиях случайного расположения де-
талей в узлах погрешности расположения торцовых поверхностей независимо
от схемы базирования будут статистически суммироваться, тем самым увели-
чивать дисперсию и неопределенность сборочных размеров.
Поэтому отсутствие методологических рекомендаций для учета отклоне-
ний расположения и формы базирующих поверхностей при расчете точности
сборки является причиной использования технологических компенсирующих
воздействий, приводит к значительным затратам ресурсов при сборке и довод-
ке изделий точного машиностроения, является причиной флуктуаций качества
и надежности в эксплуатации.
4.2.2. Одномерное описание деталей сборочных образований при
РАЗМЕРНЫХ РАСЧЕТАХ
Существующая теория размерных цепей предполагает проведение точ-
ностных расчетов в предположении, что в качестве звеньев используются про-
екции размеров деталей на соответствующие координатные направления. На-
личие рекомендаций по расчету плоских и пространственных размерных цепей
не меняет ее сущности, поскольку расчет также ведется на основе проецирова-
ния линейных звеньев на два или три взаимно перпендикулярных направления
с последующим вероятностным суммированием основных параметров:
Яд=^/я^дх+Л^ду+Я Дг7д ='\/т' Ах+Т
I-------:--------- (4-6)
= Оду+Д 0д2 s
где Яд, Ядх, АЛу, Ядх - номинальные размеры замыкающего сборочного звена и
его проекций на координатные оси, соответственно; 7д, Гд*, ТЛу, Тм - допуски
номинальных размеров замыкающего сборочного звена и его проекций на ко-
ординатные оси, соответственно; Дод, Додх, Дод« Дом ~ координаты середин по-
лей допусков замыкающего сборочного звена и его проекций на координатные
оси, соответственно.
Естественно, что подобный подход отражает только вероятностное зна-
чение замыкающего звена сборочной цепи в некотором диапазоне, определяе-
мом с учетом знания законов распределения составляющих звеньев.
Погрешность сборочного размера, как разница между размером реальной
детали и ее геометрическим образом в составе узла, предопределяется также
несовершенством процедуры измерения расстояния между двумя противопо-
105
ложно расположенными базовыми поверхностями. Для анализа причин фор-
мирования пространственной погрешности размера рассмотрим модель цилин-
дрической детали, которая ограничена непараллельными торцовыми плоско-
стями. Влияние неперпендикулярности каждого из торцов на величину сбо-
рочного размера может быть проиллюстрировано на схеме развертки цилинд-
рической поверхности, представленной на рис. 4.8.
Очевидно, что сборочная высота цилиндра Нсб , используемая при раз-
мерных расчетах сборки, будет определяться не только допуском Д на номи-
нальный размер Н высоты цилиндра, но и торцовыми биениями Дн и Дв каждой
из базовых поверхностей, а также фазовым углом их взаимного расположения
<р, т. е.
Ясб=/(Я,Д,Д„,Д6,Ф). (4.7)
Вероятность точного измерения высоты детали, при котором сборочный
размер будет укладываться в заданное поле допуска (рис. 4.9), определяется
нормированной функцией, полученной путем замены переменных в интеграль-
ной функции нормального закона:
Ф(О = *Ч*1 ) + F(/2 ) = -L \e-,ll2dt,
y2nt2
(4.8)
где F(/2) - функции, выражающие вероятность получения значений изме-
ряемого размера в пределах от - Н\ до Н и от Н до Н$, коэффициенты
риска.
106
Рис. 4.9. Схема поля рассеяния сборочного размера Н
Вся площадь, заключенная между кривой Ф(?) и осью абсцисс, условно
принимается равной единице. Вероятность получения сборочного размера, вы-
ходящего за пределы поля допуска, при симметричном поле допуска определя-
ется заштрихованной площадью и может быть определена по формуле
Р=100[1-Ф(/)]. (4.9)
Значения функции Ф(г) являются нормированными и здесь не приводят-
ся. Однако очевидно, что самого благоприятного случая, когда поле допуска
равно 6а и Ф(/) = 99,73%, быть не может, поскольку на результат оценки раз-
мера влияют не только все характеристики точности деталей, но и метрологи-
ческие погрешности, связанные с процедурой измерения и инструментом.
Для прогнозирования вероятности получения заданной точности замы-
кающего размера сборочной цепи из i составляющих звеньев следует пользо-
ваться зависимостью
Ps =100
l-fJ(l-P,/100)
i
(4.Ю)
В идеальном случае, если степени риска всех размеров одинаковы и рав-
ны Р = 0,27 %, дисперсия сборочного размера будет возрастать в соответствии
с величиной суммарного риска Р% и числом звеньев цепи (табл. 4.2).
Таблица 4.2
Значения суммарного риска Р2 в зависимости от числа факторов i
i 1 2 3 4 5 6 7
Pz 0,27 0,54 0,81 1,08 1,34 1,61 1,87
i 8 9 10 11 12 13 14
Pz 2,14 2,40 2,67 2,93 3,19 3,45 3,71
Пространственный характер распределения погрешностей базовых по-
верхностей и их вероятностное суммирование при неуправляемой сборке усу-
губляется избыточностью базирования и приводит к появлению многомерных
сборочных погрешностей, поэтому достоверность размерных расчетов значи-
107
тельно снижается по сравнению с ожидаемой. Следовательно, одномерный
подход к оценке точности размеров деталей в теории размерных цепей, игно-
рирование пространственного распределения погрешности базовых поверхно-
стей деталей также является источником производственных проблем.
Развитие сборочных технологий неизбежно связано с автоматизацией
процессов проектирования на основе использования плоскостных и простран-
ственных размерных цепей, которые более объективно отражают размерные
связи в изделиях. Одним из примеров создания векторной модели сборочной
единицы является совместное использование CAD/CAM системы «Компас» с
программой «Вектор», в которой вторая проекция или специальные условия
(биение, смещение, неплоскостность поверхности и т. п.) позволяют имитиро-
вать пространственное расположение детали в сборочной единице.
Современные зарубежные CAD/CAM системы типа Pro/ENGINEER,
Unigraphics, САПА позволяют строить объемные модели деталей, частично
учитывающие отклонения геометрических параметров реальных деталей от
номинального расположения и имитировать сборку узлов. Однако отсутствие
теоретической основы и методологической базы не позволяет осознанно ис-
пользовать данный потенциал для проведения компьютерного моделирования
сборки в широкой машиностроительной практике.
4.2.3. ИЗБЫТОЧНОСТЬ БАЗИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Структурная избыточность базирования деталей присутствует практиче-
ски во всех конструктивных образованиях и оказывает весьма существенное
влияние на работоспособность узлов и механизмов. Потенциальные возможно-
сти избыточных связей могут проявляться в повышении качества функциони-
рования узлов только в том случае, если условия их реализации явным или не-
явным образом учитываются при проектировании сборочной технологии. В
практике наиболее часто сталкиваются с негативным проявлением свойств из-
быточных связей в виде снижения работоспособности, повышения интенсив-
ности отказов, которые являются следствием неуправляемого согласования
стыков между вспомогательными базами деталей при эксплуатационном или
сборочном принуждении. Поэтому появляются различные приемы и направле-
ния совершенствования сборки, общим свойством которых является неявная
компенсация погрешностей взаимного расположения вспомогательных базо-
вых поверхностей с целью их согласования, то есть обеспечение равномерного
распределения нагрузок по всем контактным связям.
Функциональное качество большинства механизмов и машин зависит от
состояния подвижных сопряжений, которое определяется схемой распределе-
ния контактных нагрузок на поверхностях стыков деталей, насыщенностью
контактов и, следовательно, согласованностью трущихся поверхностей. При-
мер взаимодействия поверхностей, приведенный на рис. 4.10, соответствует
108
схеме опорной базы, но является характерным для начальной стадии взаимо-
действия любых базовых поверхностей подвижных деталей с избыточностью
базирования. Точечное контактирование деталей в незамкнутых кинематиче-
ских цепях отличается малой жесткостью стыков, низкой точностью функцио-
нальных параметров и выходных характеристик при эксплуатационных на-
грузках. Начальная несогласованность подвижных сопряжений приводит к вы-
сокой интенсивности износа на начальном этапе работы (рис. 4.10, а), в резуль-
тате которой происходит эксплуатационное согласование стыков с формирова-
нием равновесной шероховатости.
а б в
Рис. 4.10. Макроприработка стыков вследствие избыточности базирования
деталей в подвижных сопряжениях
Отсутствие насыщенного контакта поверхностей трения традиционно
объясняется погрешностями формы сопряженных поверхностей ccj и а2
(рис. 4.10, а), начальной установки (рис. 4.10, 6) и деформациями АГ
(рис. 4.1, в). Однако анализ подобных схем с позиции структурно-
функциональной модели базирования свидетельствует о том, что доминирую-
щей причиной высокой интенсивности начального износа Un является струк-
турная избыточность базирования.
В практике используется большое количество сборочных приемов, кото-
рые позволяют уменьшить интенсивность приработочного износа и сводятся к
технологическому или конструктивно-технологическому согласованию под-
вижных стыков. К подобным мероприятиям относятся: применение бомбиро-
ванных роликов в шатунных подшипниках [67]; повышение точности пригонки
и установки базовых поверхностей шпиндельных узлов металлорежущих стан-
ков [68]; повышение точности изготовления деталей на основе учета техноло-
гической наследственности [69]; оптимизация законов распределения размеров
деталей [70]; компенсация перекоса колец тяжелонагруженных подшипников
109
криогенных насосов путем установки компенсирующих шайб из пластичных
материалов [71] и пр. Общим свойством этих приемов является выравнивание
эпюры реакций контактных избыточных связей с помощью компенсирующих
воздействий, поэтому они полностью вписывается в рамки разработанной
классификации способов сборки.
Сборка большинства неподвижных узлов машин и механизмов основана
на использовании конструкционных и технологических сил, которые часто на-
зывают силовым замыканием. Естественное изменение размеров деталей под
действием сжимающих или растягивающих сил, крутящих или изгибающих
моментов, которое является следствием свойств упругости и пластичности кон-
струкционных материалов, отражается на всех характеристиках качества узлов.
Все прикладные направления механики имеют развитый аппарат исследования
напряженно-деформированного состояния, но на уровне сборочной технологии
деформации деталей, в большинстве случаев, учитываются только как прогно-
зируемый результат некоторых сборочных операций, например, удлинение
резьбовых деталей при контроле силы затяжки.
Соприкосновение вспомогательных баз несамоустанавливающихся дета-
лей всегда локализуется на относительно малой площади номинального кон-
такта. Использование силового замыкания приводит к формированию более
развитой площади контакта вследствие деформаций деталей, оказывает суще-
ственное влияние на качество сборки неподвижных узлов, особенно при высо-
ких требованиях к их точности. Сборочные деформации, формируемые реак-
циями избыточных связей, не могут быть однозначно описаны по величине,
направлению и суммарному вектору без знания закономерностей образования
избыточных связей, реальных геометрических характеристик деталей и взаи-
морасположения их характерных точек в сборочном комплекте. Поэтому при
сборке, направленной на достижение высших показателей функциональной
точности и надежности, устранение деформаций и их последствий обычно
производится с помощью компенсирующих воздействий.
Имеются многочисленные научные работы, посвященные разработке
сборочных методов повышения качества неподвижных сопряжений. Предло-
женная методика виртуальной сборки роторов, по содержанию является спосо-
бом технологической компенсации геометрических погрешностей дисков, на-
правленным на снижение их дисбалансов и обеспечение прямолинейности об-
щей оси роторного пакета.
В целом, обобщенной причиной использования разнообразных техноло-
гических компенсирующих воздействий является решение общей для машино-
строения задачи: устранение или снижение сборочного или эксплуатационного
принуждения деталей путем технологического согласования стыков между
вспомогательными базами деталей.
но
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ
При использовании традиционных методов сборки процесс суммирова-
ния погрешностей составляющих звеньев размерных цепей является случай-
ным, неуправляемым. Это приводит к тому, что все показатели качества сборки
также становятся случайными величинами, распределенными каким-либо обра-
зом внутри некоторой области. Поэтому для обеспечения высокого качества
сборки изделия при использовании этих методов необходимо уменьшать до-
пуски на изготовление его деталей.
Острая конкуренция, постоянное ужесточение требований экономично-
сти, надежности, безопасности, экологичности выпускаемых ГТД ведет к их
быстрому конструктивному совершенствованию, сокращению серийности их
производства. Это, в свою очередь, вызывает необходимость сведения до ми-
нимума времени от разработки нового изделия до начала его серийного произ-
водства, значительного снижения себестоимости его изготовления при одно-
временном повышении качества. Решение такой задачи традиционными мето-
дами уже невозможно, поскольку оно предполагает наличие длительного пе-
риода конструктивно-технологической отработки нового изделия, в течение ко-
торого происходит не только оценка качества принятых конструкторских и
технологических решений и их доработка, но и неизбежное моральное старение
самой конструкции.
Оптимальное использование ограниченных ресурсов и жесткая борьба за
рынок требуют нового подхода к разработке изделий и технологических про-
цессов их изготовления. Необходимо максимально сократить все потери, свя-
занные с совершенствованием как самого изделия, так и технологии его изго-
товления на всех этапах проектирования, конструктивно-технологической до-
работки и, тем более, после начала серийного производства. Мощным средст-
вом решения этой сложной задачи могут быть виртуальное производство и ис-
пытание нового изделия, осуществляемые в высокоэффективной компьютерной
среде виртуальной реальности.
Понятия «виртуальная реальность», «виртуальный мир» и другие подоб-
ные им используются уже достаточно давно и чаще всего связываются с бур-
ным развитием компьютерной анимации и различных игр, вызванным быстрым
совершенствованием, как самих компьютеров, так и компьютерных техноло-
гий. Сам же термин «виртуальный» трактуется весьма широко и обозначает
достаточно широкий круг понятий. Так, оксфордский словарь современного
английского языка трактует слово «virtual» как «фактический; действующий
как нечто реальное, но не существующее в таком виде». В широком смысле под
этим термином чаще всего понимают нечто условное, физически не сущест-
вующее, но, тем не менее, обладающее всеми основными, наиболее существен-
ными в каждом конкретном рассматриваемом случае, свойствами какого-либо
реального объекта или процесса. Так, текстовый документ, набираемый или ре-
Ill
дактируемый на компьютере, является виртуальным до распечатки его на прин-
тере, однако обладает всеми практически значимыми для этого процесса свой-
ствами реального документа: его можно хранить, просматривать, редактировать
и так далее. Виртуальность этого документа позволяет выполнять все эти опе-
рации очень легко, быстро, качественно и с минимальными затратами, несопос-
тавимыми с аналогичными при работе с реальным документом. Кроме того, со-
временные текстовые редакторы обладают гигантскими возможностями, очень
удобны в работе. Поэтому в области делопроизводства компьютеры, работаю-
щие с виртуальными документами, уже практически полностью вытеснили на-
много более дешевые пишущие машинки, позволяющие к тому же сразу полу-
чать реальные документы, а создание и редактирование текстовых документов
составляет около 70 % всех применений современных персональных компью-
теров.
Под технологией виртуальной реальности в настоящее время обычно по-
нимается интерактивная технология, позволяющая создать более или менее
полную иллюзию нахождения внутри некоего кажущегося реальным мира, хотя
в действительности этот мир существует только внутри компьютера.
Виртуальную сборку можно представить как процесс, происходящий
внутри компьютера, но включающий в себя все основные существенные при-
знаки и явления физически выполняемой сборки реально существующего изде-
лия (рис. 5.1). В результате осуществления виртуальной сборки внутри компь-
ютера создается виртуальное изделие - адекватная цифровая математическая
модель (или набор математических моделей) собранного изделия, учитываю-
щая все наиболее существенные свойства и процессы, характерные для данного
конкретного экземпляра какого-либо реального изделия.
[результаты контроля I I
।__________________। [
I действительные ~! ।
математические модели, |
программы, ।
нормативно-техническая |
размеры,
расположение
поверхностей,
форма поверхностей,
состояние
поверхностного слоя
конструкция узла
технологические
условия сборки
виртуальное изделие
---------—----------
расположение главных
центральных
осей инерции деталей,
величины дисбалансов,
величины биений,
обобщенный параметр
качества
Рис. 5.1. Виртуальная сборка изделия
Очевидно, что необходимый и достаточный для создания виртуального
изделия набор свойств и процессов, которые должны описывать математиче-
112
ские модели изделия, специфичен для разных машин и должен выявляться пу-
тем анализа основных закономерностей функционирования реального изделия.
Очевидно также, что зависимости, получаемые с помощью классической тео-
рии размерных цепей, не могут служить основой для построения таких моде-
лей.
Виртуальность изделия заключается в программном моделировании не-
обходимых для его функционирования операций. В самом простейшем случае
это виртуальное изделие может быть предназначено, например, для определе-
ния ВЫХОДНЫХ геометрических (распределение эксцентриситетов) или фи-
зических (распределение дисбалансов) характеристик сборки соответствующе-
го реального изделия в данном конкретном варианте комплектации его деталей.
Однако наличие в компьютере виртуального изделия позволяет ставить, быстро
и эффективно решать и значительно более сложные и интересные в практиче-
ском или теоретическом отношении задачи. Так, с полученным виртуальным
изделием в компьютерной среде виртуальной реальности в принципе можно
очень быстро и с небольшими затратами производить те же самые действия,
что и с реальным, физически существующим изделием, например виртуальные
балансировку, испытание, эксплуатацию. Это позволяет оценивать качество
сборки изделия при данном конкретном варианте его комплектации по тем кри-
териям, которые однозначно характеризуют его, но не могут быть обеспечены
при использовании традиционной технологии сборки. Тем самым можно избе-
жать потерь информации, что приводит к экономии материальных и энергети-
ческих ресурсов.
Технология виртуальной сборки может быть составной частью виртуаль-
ного производства изделия, начинающегося виртуальным изготовлением дета-
лей и завершающегося виртуальным испытанием и виртуальной эксплуатацией
изделия на различных режимах. Такая технология дает возможность:
- оценивать качество сборки изделия не только с помощью традиционных
показателей, но и использовать гораздо более надежные и информативные экс-
плуатационные показатели, тесно связанные со служебным назначением изде-
лия и не обеспечивающиеся при обычно используемой технологии сборки;
- оценивать качество самой конструкции изделия, исследуя ее поведение на
различных режимах с учетом специфических погрешностей, возникающих на
всех этапах ее изготовления;
- обоснованно формулировать требования к качеству изготовления дета-
лей.
Использование компьютера при этом позволяет очень быстро рассмот-
реть множество вариантов комплектации, конструктивного исполнения или ка-
чества изготовления собираемого изделия и выбрать лучший из них, причем по
критериям, напрямую связанным с эксплуатационным назначением изделия,
например по величине дисбаланса ротора на рабочих скоростях. Иными слова-
113
ми, использование технологии виртуальной реальности дает возможность изго-
товить детали, собрать из них изделие, определить необходимые геометриче-
ские и физические параметры его, провести испытание и уже по его результа-
там оценить качество данного варианта изготовления машины. Виртуальность
этого процесса и возможность полного осуществления всех его этапов внутри
ЭВМ позволяет выполнять все перечисленные выше операции чрезвычайно бы-
стро и с небольшими затратами, несоизмеримыми с затратами на физически
выполняемую сборку сложных изделий. Таким образом, виртуальное производ-
ство становится эффективным средством конструкторско-технологической
подготовки реального серийного производства нового изделия.
В зависимости от конкретных условий технология виртуальной реально-
сти может осуществляться в разных вариантах.
Рис. 5.2. Использование технологии виртуальной сборки
в условиях действующего серийного производства
В условиях действующего серийного производства использование такой
технологии в данном случае позволяет произвести оптимальную комплектацию
каждого конкретного собираемого изделия, рассматривая все имеющиеся на
складе детали, и определить оптимальные относительные положения его дета-
лей (рис. 5.2). Это позволяет резко снизить трудоемкость и одновременно по-
высить качество сборки изделия с использованием метода индивидуального
подбора деталей. Критериями выбора оптимального варианта могут быть как
традиционные (например технологический дисбаланс, биения контрольных по-
верхностей), так и нетрадиционные (например действительная форма оси рото-
ра, распределение его локальных статических и моментных дисбалансов) кри-
терии качества сборки. В том случае, если после виртуальной сборки произво-
дится виртуальное испытание собранного виртуального изделия (рис. 5.3), в ка-
честве критериев выбора оптимального варианта могут быть использованы и
эксплуатационные критерии (например действительная форма оси, величины и
114
распределение локальных дисбалансов, изгибающих моментов и напряжений
на разных режимах работы ротора, нагрузки на опоры, частоты и амплитуды
колебаний и другие).
Рис. 5.3. Определение оптимального варианта сборки по результатам
виртуального испытания
| информационные
Рис. 5.4. Использование технологии
виртуальной сборки на стадии создания
нового изделия и доводки технологии
его изготовления
На стадиях проектиро-
вания или конструктивно-
технологической отработки но-
вого изделия использование
технологии виртуальной реаль-
ности в данном случае позволя-
ет моделировать поведение
создаваемой конструкции с
учетом всех существенных по-
грешностей и отклонений, не-
избежно получаемых в реаль-
ных (уже имеющихся, конкрет-
ных, либо возможных) произ-
водственных условиях при из-
готовлении деталей и сборке
спроектированного изделия
(рис. 5.4). Так, технология вир-
туальной реальности, учиты-
вающая конкретные геометри-
ческие параметры сопрягаемых поверхностей конкретных деталей, дает воз-
115
можность обоснованного выбора варианта выполнения технологического про-
цесса их изготовления (например, различные методы финишной обработки де-
талей, обеспечивая одинаковые значения точности их размеров и шероховато-
сти обработанных поверхностей, могут существенно различаться по величинам,
стабильности и регулярности волнистости, погрешностей формы и расположе-
ния). Это позволяет оценить качество конструктивных решений, принятых при
проектировании изделия, научно обосновать требования к технологическому
маршруту обработки и качеству изготовления деталей, критериям качества
сборки, необходимому количеству деталей одного наименования на сборке,
обеспечивающему заданное ее качество при использовании метода индивиду-
ального подбора деталей.
Таким образом, технологии виртуальной реальности позволяют быстро и
эффективно решать самые сложные и актуальные вопросы современной техно-
логии машиностроения на всех стадиях создания нового изделия.
5.1. ВИРТУАЛЬНОЕ ИСПЫТАНИЕ РОТОРА ГТД
Имеющиеся математические модели гибкого ротора могут быть исполь-
зованы для проведения его виртуального испытания, по результатам которого
можно с достаточной точностью определить координаты, силы и моменты в
любой точке ротора в определенный момент времени; можно анализировать
поведение данного конкретного ротора в динамике, т. е. определять величины и
направления векторов наведенных дисбалансов при разных скоростях враще-
ния ротора и виртуально уравновешивать его таким образом, чтобы ликвидиро-
вать дисбаланс именно на рабочих частотах. Это дает возможность расчетным
путем определить величины и места расположения балансировочных грузов в
принятых плоскостях коррекции, обеспечивающих ликвидацию начальных
дисбалансов для данного конкретного изделия.
В такой постановке проблема балансировки гибких роторов может быть
решена в общем виде (т. е. как улучшение общего динамического состояния из-
делия), поскольку возможно определение оптимального для каждой конкретной
конструкции ротора количества и расположения плоскостей коррекции с уче-
том качества изготовления его деталей.
Совмещение виртуальной сборки и виртуального испытания позволяет
использовать конструкторские критерии для оценки качества сборки и, таким
образом, избежать потерь информации. Это дает возможность обеспечивать
при сборке изделия более надежные и важные показатели (по сравнению с
обычно используемыми допустимыми величинами суммарного начального
дисбаланса или биений контрольных поверхностей ротора), непосредственно
определяющие его эксплуатационные качества, например:
116
- минимум статического начального дисбаланса, а не просто допустимую
величину;
- минимум моментного начального дисбаланса;
- минимум величины биений;
- заданный закон распределения дисбалансов по длине ротора;
- заданную форму реальной оси ротора;
- требуемый характер поведения данного ротора в эксплуатационных усло-
виях.
Все перечисленные выше критерии качества сборки существенно влияют
на работоспособность собранного ротора, однако они, в основном, независимы
друг от друга. Поэтому случай, когда все они будут иметь оптимальные для ра-
ботоспособности ротора значения, маловероятен. Поскольку нельзя достичь
экстремальных значений одновременно для всех критериев, необходимо оце-
нить качество сборки каким-либо комплексным критерием. Для ротора ГТД в
качестве такого критерия может быть использовано условное суммарное каче-
ство изделия. Этот критерий должен учитывать и тот факт, что работоспособ-
ность ротора зависит от перечисленных выше критериев в разной степени.
Исходя из этого, условное суммарное качество собранного виртуального
изделия можно определить следующим образом:
т
= а1Р{+а2Р{+...+апР’т = ^акР[, (5.1)
к=\
где ар а2,..., ак - весовые коэффициенты, отражающие удельный вес каждо-
го к -го показателя качества в общем уровне показателя качества виртуального
изделия, назначаемые конструктором; Р{, Р2,...,Рк - преобразованные безраз-
мерные показатели качества, показывающие величины отклонений показателей
качества от их оптимальных значений; т - количество нормируемых показате-
лей качества изделия.
Величины преобразованных показателей качества определяются по фор-
муле
(5-2)
к ~ ’
где Рк - величина к-то показателя качества; (Рк ) - оптимальная величина
к-го показателя качества.
5.2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ
Виртуальная сборка должна рассматриваться как детерминированный
процесс, поскольку для каждого рассматриваемого варианта выполнения ее
117
должна существовать однозначная взаимосвязь входных и выходных характе-
ристик собираемого изделия.
В общем случае уравнения нежестких размерных цепей должны быть не-
линейными, поскольку нелинейными являются многие процессы, вызывающие
изменение их замыкающего звена: силовые и тепловые деформации деталей,
изменение их размеров и структурно-фазового состояния.
В процессе моделирования существуют три объекта исследования:
- реальная или проектируемая система;
- математическая модель системы;
- машинная (алгоритмическая) модель системы.
В соответствии с этим возникают следующие основные задачи:
- построение математической модели;
- преобразования математической модели в машинную модель;
- программная реализация машинной модели.
При реализации процесса виртуальной сборки изделия на компьютере
возможны два пути:
- полный перебор всех возможных вариантов относительного расположе-
ния деталей собираемого изделия и выбор наилучшего из них;
- реализация одного из методов направленного или случайного поиска экс-
тремума.
Оба эти пути имеют свои достоинства и недостатки. Первый из них зна-
чительно точнее и надежнее, что объясняется несколькими причинами:
- корректно оценить результат сборки (виртуальной или физической)
сложного изделия можно только после ее окончания, т. е. любой метод, кроме
полного перебора, будет всегда неточен принципиально;
- все параметры качества сборки ротора ГТД зависят от целого комплекса
независимых погрешностей, получающихся при изготовлении его деталей (по-
грешности размеров, геометрической формы и расположения поверхностей, не-
однородность материала, погрешности балансировки и другие);
- любой метод направленного поиска экстремума, кроме того, имеет и свои
специфические погрешности.
Основным недостатком метода полного перебора является его высокая
трудоемкость, которая, однако, может быть сокращена как за счет совершенст-
вования программно-математического обеспечения, так и путем применения
многопроцессорных вычислительных систем.
Например, процесс оптимизации комплектации ротора ГТД и относи-
тельного расположения его деталей в серийном производстве можно выполнять
в несколько этапов.
1. Производится виртуальная сборка с полным перебором всех вариантов
соединения для всех имеющихся на складе деталей по упрощенной методике
расчета, без учета отклонений формы и деформаций их базовых поверхностей.
118
По результатам расчетов определяются оптимальные комплекты собираемых
деталей.
2. Для подобранных комплектов производится виртуальная сборка с опти-
мизацией относительного положения их деталей методом полного перебора с
учетом всех существенных геометрических факторов, но без учета сборочных
деформаций. По результатам этих расчетов выбирается небольшое количество
«хороших» вариантов виртуального изделия.
3, Для выбранных «хороших» вариантов виртуального изделия производит-
ся уточняющий расчет с учетом сборочных деформаций его деталей, и опреде-
ляются все характеристики, необходимые для проведения виртуального испы-
тания данного конкретного варианта изделия.
4. Для выбранных «хороших» вариантов производится виртуальное испыта-
ние, по результатам которого и определяется окончательно оптимальный вари-
ант сборки изделия.
Для практической реализации технологии виртуальной реальности при-
менительно к сборке роторов ГТД необходимо решение нескольких задач.
1. Математическое моделирование процесса формирования качества изде-
лия при его сборке с целью создания адекватных математических моделей со-
бираемого изделия. Использование классической теории размерных цепей в
данном случае совершенно неприемлемо, поскольку она не учитывает целого
ряда факторов, существенно влияющих на величину замыкающего звена ротора
ГТД. Поэтому необходима разработка теории нежестких размерных цепей и
получение на ее основе адекватных математических моделей.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей между
технологическими условиями сборки и качеством изделия.
3. Разработка методик оптимизации, адаптивного управления и оперативной
диагностики технологических процессов сборки с целью обеспечения требуе-
мого качества собираемого изделия.
5.3. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ
Сущность предлагаемой новой технологии сборки заключается в сле-
дующем.
Перед сборкой производится 100 %-й контроль всех поступающих на
сборку деталей роторного пакета (валов, дисков, проставочных и трактовых ко-
лец и других), при этом определяются все необходимые для последующего рас-
чета параметры. Полученная информация заносится в базу данных в памяти
ЭВМ, причем весь этот процесс может осуществляться автоматически, без вся-
кого участия оператора (в том случае, если контрольное оборудование позволя-
ет получать информацию о геометрических параметрах деталей в виде файлов).
119
После этого для всех имеющихся в базе данных деталей ЭВМ производит вир-
туальную сборку изделия, рассматривая по изложенной выше методике все
возможные варианты комплектации и относительного расположения деталей,
определяет требуемые выходные геометрические (например эксцентриситеты)
и физические (например дисбалансы) параметры качества сборки для каждого
варианта, затем выбирает из них те, которые удовлетворяют заданным ограни-
чениям. После этого производится виртуальное испытание удовлетворяющих
заданным ограничениям нескольких «хороших» вариантов изделия и опреде-
ляются их эксплуатационные характеристики. На последнем этапе производит-
ся выбор наилучшего по заданным критериям варианта, поскольку при сборке
роторов ГТД обычно требуется обеспечить сразу несколько выходных парамет-
ров. Полученные в итоге сочетания деталей и их относительного положения
будут оптимальными для рассмотренного комплекта деталей. Таким образом
производится оптимальная комплектация собираемого изделия на ЭВМ. В за-
ключение для полученного оптимального варианта изделия рассчитываются
положения контрольных точек друг относительно друга, что необходимо для
управления ходом технологического процесса сборки реального изделия. В цех,
на рабочее место сборщиков поступает уже подобранный комплект деталей
(либо номера конкретных деталей, которые необходимо получить на складе),
подлежащих сборке, с указанием того относительного положения их, которое
они должны иметь в собираемом изделии, а также расположение контрольных
точек, которое необходимо обеспечить при выполнении сборки изделия.
Математические модели, используемые для виртуальной сборки и ком-
плектации на ЭВМ, должны быть достаточно точными, надежными и учиты-
вать все факторы, существенно влияющие на точность сборки: действительные
размеры, шероховатость, волнистость, макроотклонения, состояние поверхно-
стного слоя, сборочные силы, деформации и т. д.
Применение технологии виртуальной сборки даст возможность таким об-
разом подобрать собираемые детали и их относительное положение, чтобы они
в максимально возможной степени взаимно компенсировали погрешности изго-
товления друг друга. Увеличение трудоемкости комплектации, при использова-
нии современной высокопроизводительной контрольной и вычислительной
техники, будет незначительным. Применение такой технологии позволит избе-
жать чрезвычайно трудоемкой и непроизводительной повторной сборки и, та-
ким образом, резко (в несколько раз) снизить трудоемкость и себестоимость
сборки высокоточных изделий, а также существенно сократить время на освое-
ние нового изделия в серийном производстве.
Новая технология сборки, основанная на надежных математических мо-
делях реальных нежестких размерных цепей и управляемом суммировании по-
грешностей сопрягаемых деталей, является одним из способов реализации воз-
можностей и преимуществ технологии виртуального производства. Использо-
вание такой технологии в производстве на стадиях как изготовления, так и про-
120
ектирования роторов ГТД и других высокоточных изделий современного ма-
шиностроения даст возможность:
- производить размерный анализ нежестких сборочных размерных цепей,
определять действительное положение исполнительных поверхностей деталей
при сборке и прогнозировать поведение изделия в процессе его эксплуатации в
различных условиях;
- организовать одноразовую бездоводочную сборку роторов ГТД;
- создать предпосылки частичной автоматизации сборочного процесса в
серийном производстве ГТД;
- в полной мере реализовать основное преимущество метода индивидуаль-
ного подбора: возможность управления процессом суммирования погрешно-
стей изготовления собираемых деталей;
- свести к приемлемому минимуму основной недостаток этого метода:
очень высокую трудоемкость;
- расширить области применения метода индивидуального подбора дета-
лей;
- в несколько раз повысить качество, в том числе и точность, изготовления
машины, не повышая требований к ее деталям и сборочному оборудованию,
внося минимальные изменения в уже существующую технологию и организа-
цию сборочного процесса;
- снизить себестоимость и повысить производительность сборки высоко-
точных машин;
- уменьшить сроки создания новых, конкурентоспособных на международ-
ном рынке изделий машиностроения и освоения их в серийном производстве.
Для практического использования этой технологии не потребуется боль-
ших капитальных затрат, т. к. все изменения будут касаться, в основном, только
организационной стороны процесса сборки, а необходимости в дорогостоящем
контрольном или сборочном оборудовании нет.
5.4. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ В АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ
Известно, что цель любой технологии, в том числе и в машиностроении, -
получить конечный продукт требуемого качества, в установленном производ-
ственной программой количестве и в заданные сроки при наименьших затратах
живого и овеществленного труда. Технология виртуальной сборки связана с
получением, обработкой и эффективным использованием информации и также
направлена на получение реального конечного продукта, удовлетворяющего
заданным требованиям к нему. Поэтому аналогичным образом можно сформу-
лировать и цель технологии виртуальной сборки - получение, максимально эф-
фективного и полного использования информационного ресурса, с целью обес-
121
печения возможности получения годного изделия требуемого качества в уста-
новленном производственной программой количестве и в заданные сроки при
наименьших затратах дорогостоящих материальных и энергетических ресурсов.
Виртуальная сборка позволяет полностью или в значительной степени
избежать потерь информации о точности, поскольку ее результат может оцени-
ваться по любым, в том числе конструкторским и эксплуатационным критери-
ям. Используемая в настоящее время при сборке роторов ГТД технология обес-
печивает допустимые величины статических технологических дисбалансов в
роторных пакетах. Однако технология виртуальной сборки позволяет при соз-
дании виртуального изделия учитывать и моментные технологические дисба-
лансы.
Виртуальная сборка позволяет реализовать основное преимущество ме-
тода достижения требуемой точности сборки путем индивидуального подбора
деталей - значительное повышение качества сборки за счет управления процес-
сом формирования погрешностей изделия без увеличения требований к качест-
ву изготовления деталей, а также избежать недостатков этого метода, связан-
ных с его высокой трудоемкостью и неполным использованием всех возможно-
стей при эмпирическом подборе вручную.
Даже в самом неблагоприятном случае - при недостаточной точности и
надежности используемых математических моделей или программно-
математического обеспечения технология виртуальной сборки позволяет зна-
чительно снизить трудоемкость сборки за счет исключения наиболее неблаго-
приятных вариантов.
Недостатки этой технологии связаны с некоторыми недостатками самого
метода индивидуального подбора (потеря собранными изделиями свойства
взаимозаменяемости их деталей) и являются специфическими (повышение тру-
доемкости контроля деталей и комплектации). Оба эти недостатка, однако, не
являются слишком большими.
Так, требование сохранения взаимозаменяемости деталей далеко не все-
гда является существенным для многих изделий, собираемых с использованием
метода индивидуального подбора. Например, диски, валы, кольца и другие де-
тали ротора авиационного ГТД, определяющие при сборке реальную форму его
оси, как правило, не заменяются в процессе ремонта двигателя, а служат весь
срок его эксплуатации. Невзаимозаменяемыми являются и многие детали
большинства прецизионных изделий, например детали плунжерных пар топ-
ливной аппаратуры. В то же время, большинство машин при эксплуатации пре-
терпевают столь существенные изменения, что при ремонте их с заменой наи-
более точных деталей новые детали все равно приходится подбирать, пригонять
или регулировать по месту, даже если при изготовлении машины и использо-
вался принцип полной взаимозаменяемости.
Для практического использования предлагаемой технологии виртуальной
сборки необходимо иметь методики и оборудование, позволяющие достаточно
122
точно и надежно определять требуемые для расчета величины погрешностей
сборки по результатам контроля собираемых деталей.
Для контроля деталей в условиях серийного производства вместо дорогих
универсальных измерительных машин могут использоваться либо специально
сконструированные достаточно простые, универсальные и дешевые контроль-
ные приспособления, либо даже уже существующее контрольное оборудование
при его минимальной модернизации (поскольку в настоящее время все ответст-
венные детали ГТД в обязательном порядке подвергаются 100 %-му контролю с
заполнением паспорта или контрольной карты на каждую деталь). Таким обра-
зом, информация о действительных размерах собираемых деталей в производ-
стве уже имеется, однако при существующей технологии сборки она использу-
ется совершенно недостаточно. С целью эффективного использования имею-
щейся информации и уменьшения трудоемкости виртуальной сборки результа-
ты контроля реальных деталей необходимо представлять в электронном виде,
то есть в виде файла, который может передаваться либо на магнитном носителе
- дискете, либо по компьютерной сети сборочного цеха (при ее наличии) и хра-
ниться на жестком диске компьютера.
Известно, что широкое применение информационных технологий на всех
стадиях подготовки производства приводит к кардинальному изменению среды
создания и формы представления технической информации. Конструкторско-
технологическая документация все в большей степени сокращается в среде ин-
тегрированных CAD/CAM систем автоматизированного конструирования и
производства. При этом интенсивно происходит изменение носителей основной
информации об объектах проектирования, изготовления и эксплуатации; пере-
ход от бумажного чертежа к геометрической модели объекта, а затем (при
CALS-технологии) - к информационной модели изделия на всех стадиях его
жизненного цикла, представляемой и передаваемой при документообороте в
электронном виде. Основная причина таких изменений - резкое повышение
производительности труда конструктора и технолога при работе с CAD/CAM
системами. Дополнительные возможности открывает применение совместно с
системами CAD/CAM электронного документооборота с автоматизацией про-
цессов получения информации. С этой точки зрения технология виртуальной
реальности хорошо соответствует требованиям CAD/CAM систем.
Поскольку детали после их изготовления постоянно претерпевают изме-
нения размеров и формы, контроль их необходимо производить непосредствен-
но перед сборкой для уменьшения влияния этих изменений.
Практически все наиболее трудоемкие расчеты на ЭВМ, связанные с реа-
лизацией технологии виртуальной сборки в производственных условиях, могут,
при наличии соответствующего программного обеспечения, происходить без
участия оператора (оно требуется только лишь для запуска программы). Поэто-
му трудоемкость комплектации ротора на ЭВМ в любом случае ничтожно мала
по сравнению с трудоемкостью физически выполняемой сборки ротора ГТД,
123
даже при использовании для расчетов широко распространенных «офисно-
бытовых» персональных компьютеров с достаточно скромными возможностя-
ми и даже если она занимает несколько часов машинного времени. К тому же
стоимость таких компьютеров не превышает 500-800 долларов США, что
также вполне приемлемо и не превышает себестоимости традиционной сборки
даже одного экземпляра авиационного ГТД. При этом все работы по комплек-
тации и подбору оптимального относительного положения деталей ротора мо-
гут быть выполнены инженером-технологом в технологическом отделе сбороч-
ного цеха, то есть, нет необходимости ни в дополнительном персонале (ком-
плектовщике), ни в размещении вычислительной техники непосредственно на
рабочем месте в сборочном цехе.
5.5. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО РЕШИТЬ ДЛЯ
РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ
Основными задачами, требующими решения для реализации технологии
виртуальной сборки, являются следующие.
1. Разработка способов математического описания контактирующих по-
верхностей собираемых деталей.
2. Разработка математических моделей контактирования реальных поверх-
ностей собираемых деталей.
3. Разработка математических моделей процесса формирования замыкаю-
щего звена размерной цепи с учетом изменения размеров составляющих звень-
ев.
4. Разработка и исследование способов регулирования нежестких размер-
ных цепей.
5. Разработка методик, позволяющих научно обоснованно назначать требо-
вания к качеству изготовления деталей.
6. Разработка технологического обеспечения заданных требований к качест-
ву контактирующих поверхностей.
7. Разработка программного обеспечения для ЭВМ.
8. Разработка новой технологии сборки, основанной на управляемом сум-
мировании действительных погрешностей сопрягаемых деталей.
9. Экспериментальная проверка новой технологии в производственных ус-
ловиях и, при необходимости, доработка ее.
5.6. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ВИРТУАЛЬНОЙ СБОРКИ
Ротор - один из самых ответственных и сложных узлов авиационного га-
зотурбинного двигателя (ГТД). Наибольшие сложности при сборке гибких ро-
124
торов современных авиационных ГТД вызывает обеспечение их геометриче-
ской точности и уравновешенности. Оба эти показателя качества взаимосвяза-
ны, поскольку формирующаяся при сборке технологическая неуравновешен-
ность ротора вызывается наличием погрешностей изготовления деталей и их
сборки.
Уровень вибрации ротора является важнейшим показателем качества ро-
торных машин. Постоянное конструктивное совершенствование выпускаемых
роторных машин ведет к неизбежному усложнению их конструкций, интенси-
фикации режимов работы, резкому (до десяти раз за последние 30 - 40 лет) уве-
личению скоростей вращения роторов. А к высокоскоростным роторам, вра-
щающимся с частотами порядка 40000 - 60000 об/мин, предъявляются очень
жесткие требования по точности и уровню вибраций, поскольку они в значи-
тельной степени определяют многие показатели качества изделия. Ужесточение
требований к вибрациям роторов приводит к постоянному уменьшению и без
того очень жестких допусков на дисбаланс, биению и, как следствие, ужесточе-
нию требований к качеству изготовления роторов.
5.6.1. Ротор ГТД смешанного типа
Ротор газотурбинного двигателя (ГТД) смешанного, или барабанно-
дискового, типа имеет в своей конструкции диски и барабанные участки. Дета-
ли такого ротора последовательно центрируются друг относительно друга, и
положение каждой из них зависит от положения всех остальных деталей ротор-
ного пакета, т. е. погрешности этих положений являются накопленными. Это
является основным недостатком смешанной конструкции с точки зрения обес-
печения требуемой точности. В собранном роторе отрезки осей базовых по-
верхностей его деталей образуют некоторую пространственную линию, форма
которой определяется угловыми и радиальными смещениями, погрешностями
формы, сборочными деформациями деталей. В этом случае технологические
дисбалансы являются зависимыми случайными величинами: эксцентриситет
каждой последующей детали зависит от векторной суммы эксцентриситетов
всех предыдущих деталей, которые определяются накопленной радиальной и
торцевой погрешностями изготовления стыков всех деталей роторного пакета.
Роторы такой конструкции чаще всего имеют высокооборотные ГТД, на-
пример турбовальный РД - 600 В и турбовинтовой ТВД — 1500 Б. Аналогичны
по конструкции роторы многих других отечественных и зарубежных ГТД.
Появление машин, роторы которых вращаются со скоростями, превы-
шающими критические, поставило задачу балансировки гибких роторов - одну
из самых сложных в современной технике, до конца еще не решенную. Темпы
развития турбомашин постоянно опережают развитие балансировочной техни-
ки. Это вынуждает использовать все ресурсы для поэтапного снижения неурав-
новешенности собираемого ротора, в том числе и технологические методы.
125
В настоящее время под балансировкой гибких роторов понимают улуч-
шение общего динамического состояния изделия: снижение до заданной нормы
вибраций опор ротора и корпуса изделия, уменьшение прогибов и ограничение
напряжений по длине ротора. В такой постановке проблема балансировки гиб-
ких роторов не имеет пока общего решения. Один из наиболее актуальных во-
просов теории сборки - снижение вибраций роторных машин за счет техноло-
гических и конструкционных методов снижения дисбаланса.
Традиционная балансировка чаще всего ставит целью не выявление ис-
тинной картины дисбаланса, а ограничивается снижением вибраций корпусов
или опор, что может привести к росту изгибающих моментов и напряжений в
самом роторе или его опорах.
Поскольку процесс балансировки гибких роторов вызывает значительные
трудности, при сборке их применяются специальные операции, например, тех-
нологическая сборка, с целью последовательного снижения возникающей не-
уравновешенности и обеспечения приемлемой величины технологического
дисбаланса. Технологическая сборка представляет собой процесс формирова-
ния действительной сборочной оси ротора путем подбора относительного по-
ложения его деталей. Исправить сформированную таким образом ось можно
только путем разборки ротора и разворотом или заменой его деталей. Основ-
ными критериями качества выполнения таких операций является обеспечение
допустимых величин:
- радиальных и осевых биений контрольных поверхностей;
- начального технологического дисбаланса;
- локальных дисбалансов.
Однако оси контрольных поверхностей деталей не совпадают ни с их
главными центральными осями инерции, ни с осью вращения ротора, которая
на данном этапе вообще еще не существует. Кроме того, контрольные поверх-
ности имеют погрешности формы и относительного расположения, а сама по
себе величина технологического дисбаланса ротора не определяет однозначно
качества и достижение минимального значения ее не является гарантией наи-
лучшего варианта сборки, поскольку эксплуатационные свойства у роторов с
одинаковыми технологическими дисбалансами могут быть совершенно разны-
ми. В реальном роторе кроме локальных дисбалансов деталей всегда присутст-
вуют и другие дефекты, например, перекос главных осей инерции отдельных
рабочих колес относительно оси вращения ротора.
Поэтому качество сборки гибкого ротора не может быть адекватно и од-
нозначно оценено ни одним из геометрических (например величины биений
контрольных поверхностей, эксцентриситеты центров масс деталей, углы меж-
ду осями инерции деталей и осью вращения ротора) или физических (например
локальные и суммарный технологические дисбалансы) параметров.
126
Выход - в автоматизации процесса индивидуального подбора деталей с
помощью ЭВМ путем осуществления виртуальной сборки, когда реальная, фи-
зически выполняемая и очень трудоемкая сборка заменяется быстрым расчетом
на ЭВМ и метод индивидуального подбора становится компьютерной техноло-
гией.
Технология сборки таких роторов в настоящее время многоэтапна и тру-
доемка.
Этап предварительной сборки на стенде предназначен для определения
оптимального относительного положения собираемых деталей и формирования
сборочной оси ротора. На этом этапе происходит последовательное присоеди-
нение деталей к базовой. После установки каждой очередной детали определя-
ются величины радиальных биений контрольных поверхностей и, в случае если
они превышают допустимые значения, производится поворот этой детали на
угол, кратный 45° (так как детали ротора соединяются восемью призонными
болтами, равномерно расположенными по окружности). Поскольку допустимые
биения вспомогательных базовых поверхностей деталей относительно их ос-
новных баз составляют 0,01 мм, а биения контрольных поверхностей деталей
при предварительной сборке не должны превышать 0,02 - 0,03 мм, приходится
подбирать положение практически каждой детали роторного пакета. После ус-
тановки последней детали клеймятся метки достигнутого оптимального поло-
жения, и ротор полностью разбирается.
На втором этапе осуществляется последовательная сборка сопрягаемых
пар деталей с целью доработки «по месту» предварительно обработанных от-
верстий под призонные болты. Она включает операции зенкерования, развер-
тывания, восстановления фасок и радиусов, торцовку и нагартовку. Выполне-
ние этого этапа позволяет сохранить в готовом изделии показатели качества
сборки, достигнутые на первом ее этапе.
Третий этап заключается в расстановке лопаток по пазам дисков и полной
сборке ротора. Контрольная сборка производится для выполнения пригоночных
работ - протачивания и шлифования лабиринтов, наружных поверхностей ра-
бочих колес и лопаток.
Для осуществления пригонки (четвертый этап) ротор устанавливается и
выверяется в центрах на соответствующем станке с контролем биений по базо-
вым поверхностям передней и задней цапф. После пригонки ротор снова пол-
ностью разбирается, на лопатках заправляются радиусы, нагартовываются и ос-
вежаются их профили.
На пятом этапе производится динамическая балансировка наиболее мас-
сивной детали ротора - крыльчатки центробежной ступени для снижения оста-
точного дисбаланса ее до величины 3 гс см.
Окончательная сборка ротора производится только на шестом этапе, при
этом детали устанавливаются по меткам, нанесенным на первом этапе.
127
На последнем, седьмом этапе осуществляется динамическая балансиров-
ка ротора по двум плоскостям коррекции с точностью 1 гс-см.
В связи с тем, что положение присоединяемых деталей определяется по
величинам биений их контрольных поверхностей, возникает значительная по-
грешность, поскольку сами эти поверхности имеют погрешности формы и рас-
положения как относительно базовых поверхностей, так и относительно глав-
ных центральных осей инерции. Эта погрешность в дальнейшем заметно уве-
личивается из-за того, что сборочная ось ротора, окончательно материализуе-
мая только после полного завершения сборки, не совпадает с осью сборочного
стенда или первой установленной детали. Поэтому на практике очень часто
встречаются случаи, когда окончательно собранный таким образом ротор не-
возможно уравновесить и приходится производить его частичную разборку с
изменением первоначально полученного «оптимального» относительного рас-
положения деталей. Более того, иногда эту операцию необходимо повторять
несколько раз (до 7 - 8 раз в некоторых случаях) для одного и того же изделия.
Специфической особенностью роторов ГТД является то, что многие их
детали (например, диски и кольца) могут устанавливаться в изделии в разных
относительных положениях, равноценных с конструктивной точки зрения. На-
пример, два соседних диска ротора ГТД, соединяемые друг с другом или с
валом п призонными болтами или шлицами, могут иметь п равноценных с кон-
структивной точки зрения вариантов взаимного расположения. Это свойство
часто используется при сборке для повышения качества собираемого ротора. В
этом случае при сборке ротора обычно стремятся установить рабочие колеса
таким образом, чтобы они в какой-то степени взаимно компенсировали собст-
венные погрешности изготовления. Компенсация погрешностей изготовления
деталей за счет подбора при сборке оптимального их сочетания и взаимного
положения (балансировка методом сборки) применяется часто и имеет значи-
тельные возможности.
Однако в настоящее время оптимизация углового положения деталей в
производственных условиях производится в значительной степени вслепую,
эмпирически, методом случайного подбора деталей, что далеко не всегда при-
водит к удовлетворительному результату. Имеющиеся методики подбора вза-
имного положения деталей ненадежны, поскольку не учитывают реального
рельефа сопрягаемых поверхностей, сборочных деформаций и многого другого.
Поэтому в практике нередки случаи, когда сборка с применением существую-
щих методов оптимизации относительного положения деталей роторного паке-
та дает неудовлетворительный результат (например, для балансировки собран-
ного ротора требуется недопустимо большое количество балансировочных гру-
зов), а при дальнейших переборках такого ротора экспериментально находится
такое положение его деталей, при котором заданные требования выполняются.
128
Таким образом, существующая технология сборки роторов ГТД имеет
высокую трудоемкость и недостаточное качество, что объясняется несколькими
причинами.
1. Невозможность с помощью классической теории размерных цепей опре-
делить заранее результат сборки даже несмотря на то, что в авиационном про-
изводстве на все ответственные детали ротора имеются паспорта с их действи-
тельными размерами. В результате приходится производить многочисленные
повторные сборки, изготавливать так называемые «ложные детали» и т. д.
2. Процесс сборки является неуправляемым.
3. Во многих случаях нельзя четко и научно обоснованно сформулировать
требования к тем параметрам, которые можно контролировать при сборке.
4. Неустойчивость достигнутого при сборке состояния ротора в процессе
его эксплуатации.
Расчёт пространственного положения деталей при виртуальной сборке
производится в следующей последовательности.
1. Определение положения всех деталей ротора в ортогональной сборочной
системе координат, в качестве которой принята система координат
первой по порядку сборки детали (рис. 5.1).
2. Определение положения оси вращения собранного ротора в сборочной
системе координат. Для этого необходимо составить уравнение прямой, прохо-
дящей через две точки, лежащие в ценграх посадочных поверхностей под опо-
ры ротора. Поскольку опорами ротора являются подшипники качения, эти точ-
ки лежат на осях цилиндрических поверхностей, являющихся основными кон-
структорскими базами, на одинаковом удалении от торцев подшипников.
Рис. 5.1. Системы координат ротора
3. Определение эксцентриситетов центров масс деталей относительно оси
вращения ротора и дисбалансов, характеризующих качество сборки роторного
пакета.
При расчёте размерной цепи ротора использованы:
129
- собственные координатные системы деталей О,, Xb Yh Zf,
- сборочная система координат ротора Л), Уь Zi,
- собственная вращающаяся система координат ротора О, X, Y, Z.
В общем случае оси всех деталей не совпадают, не пересекаются и не па-
раллельны ни оси вращения ротора, ни друг другу, поскольку в роторах сме-
шанного типа отсутствует центральный вал, и детали роторного пакета после-
довательно базируются друг к другу. Ось вращения ротора появляется только
после полного завершения сборки, когда окончательно занимают свои места
основные базирующие поверхности под подшипники. Поэтому процесс сборки
следует рассматривать как последовательное формирование оси вращения ро-
тора, происходящее путём последовательного присоединения системы коорди-
нат каждой последующей детали к ортогональной системе координат преды-
дущей детали.
Собственная система координат ротора - это такая ортогональная коор-
динатная система, ось OZ которой совпадает с осью его вращения, а оси ОХ и
OY жёстко связаны с его основной базирующей деталью. Ось вращения соб-
ранного ротора проходит через точки Е и F (рис. 5.1), расположенные на осях
посадочных поверхностей под подшипники на одинаковых расстояниях от тор-
цев их внутренних колец. Виртуальная сборка ротора начинается слева, с пер-
вой его детали, поэтому основные базы каждой детали находятся на её левом
торце, а вспомогательные - на правом.
Созданные математические модели реализованы в программе «Sborka»,
предназначенной для определения оптимальных относительных угловых рас-
положений деталей ротора.
Для проверки проводилось сравнение результатов предлагаемой и тради-
ционной технологий сборки. Для ротора сначала был произведен расчет опти-
мального относительного положения деталей. Для сравнения был рассчитан
наиболее вероятный вариант расположения локальных дисбалансов и эксцен-
триситетов деталей ротора в случае сборки его без применения каких-либо ме-
тодов компенсации погрешностей деталей. При расчете дисбалансов учитыва-
лись остаточные дисбалансы деталей и узлов (рабочих колес) ротора. Результа-
ты выполненной работы представлены в табл. 5.1 и на рис. 5.2 и 5.3.
Таблица 5.1
Сравнение вариантов расположения деталей роторного пакета
" Вариант расчета Показатели сборки"''——^ Вероятный вариант без компенсации Производственный вариант Рассчитанный вариант
Суммарный технологический дисбаланс, г-см 203,6 78,0 43,3
Наибольший локальный дисбаланс, г-см 89,6 56,0 17,9
Наибольший локальный эксцентриситет, мм 0,236 0,165 0,084
130
Номер детали
Рис. 5.2. Схема расположения локальных эксцентриситетов: 1 - оптимальный вариант (после
расчета); 2 - производственный вариант (после технологической сборки); 3 - наиболее
вероятный вариант при сборке без оптимизации положения деталей
Рис. 5.3. Схема расположения локальных дисбалансов: 1 - наиболее вероятный вариант
при сборке без оптимизации положения деталей; 2 - производственный вариант (после
технологической сборки); 3 - оптимальный вариант (после расчета)
График распределения эксцентриситетов деталей ротора показывает, что
для оптимальных расчетного и производственного вариантов величины эксцен-
триситетов деталей очень близки (рис. 5.2). Однако если рассматривать совме-
стно графики локальных эксцентриситетов и дисбалансов, то выясняется, что
между этими вариантами существует принципиальная разница. Она заключает-
ся в том, что при технологической сборке не учитываются ни величина, ни рас-
положение векторов остаточных дисбалансов деталей. Поэтому для деталей,
имеющих значительные отклонения этих параметров от среднего уровня (в
данном случае для детали «крыльчатка», масса которой значительно больше
масс других деталей ротора ГТД ТВД-1500), происходит скачок локального
дисбаланса. Расчетная же методика позволяет уменьшить этот скачок за счет
уменьшения локального эксцентриситета именно данной детали. При этом не-
131
которые из остальных деталей ротора могут иметь величины эксцентриситета и
несколько больше, чем у производственного варианта.
5.6.2. Ротор ГТД дискового типа
Ротор дискового типа в настоящее время получил достаточно широкое
распространение. Он имеет соединенные с валом диски, на периферии которых
закреплены рабочие лопатки. Диски обладают большой прочностью и допус-
кают на наружной поверхности большие окружные скорости (250 - 300 м/с),
поэтому ступени дисковых роторов являются высоконапорными и применяют-
ся в ГТД с большими степенями повышения давления воздуха.
Крутящий момент к каждой ступени передается через вал. Передача кру-
тящего момента от вала к дискам возможна при помощи шлиц, трения и при-
зонных болтов. Дисковые роторы обладают большой несущей способностью,
диаметр турбины хорошо согласуется с диаметром компрессора; число лопаток
на разных ступенях может быть разным, оптимальным для данной ступени. Для
предотвращения резонансных колебаний между ободьями дисков под лопатка-
ми направляющих аппаратов устанавливают кольцевые проставки - трактовые
кольца, не участвующие в передаче крутящего момента.
Центрирование дисков ротора происходит по неразъемному центрально-
му валу, поэтому несоосность всех деталей считается независимой: погреш-
ность установки каждого из дисков номинально не зависит от погрешностей ус-
тановки остальных деталей, а определяется только несоосностью установочной
базы на валу относительно его шеек под подшипники и взаимной несоосностью
сборочной и балансировочной баз диска. Однако это правило в действительно-
сти не выполняется, поскольку при приложении силового замыкания к деталям
происходят деформации вала из-за наличия погрешностей изготовления торце-
вых поверхностей сопрягаемых деталей.
Одно из главных преимуществ дискового ротора - наличие оси вращения
(оси вала) до окончания полной сборки ротора. Это дает возможность исполь-
зовать метод последовательной ликвидации дисбаланса при сборке.
Недостатками ротора дискового типа являются малая изгибная и кру-
тильная жесткость по сравнению с жесткостью роторов других типов, склон-
ность к возбуждению колебаний дисков. Кроме того, ротор дискового типа
имеет большую конструктивную и технологическую сложность.
Основные проблемы при сборке таких роторов связаны с достижением
требуемой точности длиновых размеров.
Типовой технологический процесс сборки роторов дискового типа рас-
смотрим на примере сборки ротора осевого компрессора высокого давления
(КВД) авиационного двигателя Д-30 КУ (ОАО «НПО «Сатурн»), состоящего из
11 ступеней (рис. 5.4).
132
Рис. 5.4. Схема ротора КВД Д-30 КУ: 1 - вал; 2 - гайка; 3 - диск; 4 - проставка;
5 - лопатка; 6 - компенсирующее кольцо
Для обеспечения эксплуатационных свойств ротора (нераскрытая стыков
его деталей во время работы) диски находятся в сжатом состоянии (в осевом
направлении), что достигается конструкцией ротора, опрессовкой пакета дис-
ков и затяжкой гаек на концах центрального вала при сборке.
Перед сборкой ротора диски устанавливаются на оправку, и замеряется
длина ротора по ступице D. После этого на диски поочередно напрессовывают-
ся с небольшим гарантированным натягом проставочные и промежуточные
кольца. Затем на вал ротора последовательно попарно устанавливаются, пред-
варительно обжимаются прессом (сила 180 - 220 кН) и балансируются по пра-
вой и левой сторонам рабочие колеса 5,6 и 7,4 и 8,3 и 9,2 и 10 ступеней. Сила
пресса направлена вдоль оси вала ротора. Величина остаточного дисбаланса не
должна превышать 20 гс-см для каждой плоскости коррекции, при невозможно-
сти достижения ее рабочие колеса разворачиваются вокруг оси на некоторый
угол. После установки и обжатия в течение 5 минут силой 300 - 350 кН край-
них рабочих колес 1 и 11 ступеней затягиваются две гайки на концах вала рото-
ра (контролируемый момент затяжки гаек 200 - 300 кгс-м). При этом происхо-
дит дополнительное осевое нагружение дисков и удлинение вала, после чего
сила пресса снимается, что приводит к возникновению упругих перемещений в
системе диски-вал: вал растягивается, а ступицы дисков удлиняются в осевом
направлении. В конце концов, система приходит в положение равновесия, в ко-
тором сила, создаваемая растянутым валом ротора, уравновешивается силами,
создаваемыми деформированными дисками и кольцами.
133
Номинальное давление на торцах ступиц дисков при этом достигает
250 МПа, что составляет около 30 % величины пределов текучести для титано-
вого сплава ВТЗ-1 и стали 13Х12Н2ВМФШ, из которых изготовлены диски, а
фактическое давление может значительно превышать предел текучести. Под
действием таких высоких давлений происходит смятие и упруго-пластическая
деформация вершин микронеровностей и волн на поверхностях контактирую-
щих торцев и, вследствие этого, существенное изменение размеров деталей и
всего собранного ротора.
Затем на собранном роторе КВД измеряются контролируемые размеры:
- размер А = 15 +0’12 1-го диска и величина осевого прогиба его при сборке
^+0 ’55 (это значит> что 1-й Диск деформируется в осевом направлении на
О,55...О,8 мм);
- величина осевого прогиба последнего (11-го) диска В = 1,9 ± 0,1;
- размер С = 183,5 ± 0,3 (его величина до сборки 185,2 + 0,3);
- уменьшение высоты ротора по ступице \ (т. е. величина осевой де-
формации ступичной части ротора 0,6...1,1 мм);
- длина Е = 1025^’25 и вытяжка вала F = 0,38...0,40 (что при длине вала до
сборки 1025,5-0.4 составляет всего лишь 2,4% от величины поля рассеяния этого
размера).
В случае если полученные величины этих размеров выходят за пределы
допусков, производится регулировка путем замены компенсирующего кольца
(для размеров А и D), пригонка протачиванием или шлифованием (для размеров
В и С), регулировка гаек (для размеров Е и F), обстукивание гаек алюминиевым
молотком (для обеспечения заданных овальности и конусности посадочных
шеек вала). Затем ротор балансируется по 1 и И ступеням, протачиваются и
шлифуются гребешки лабиринта и торцы лопаток, штифтуются гайки и, после
слесарной операции и промывки, он подвергается окончательному контролю
диаметральных и длиновых размеров, биений, отклонений формы и дисбаланса
(величина остаточного дисбаланса не должна превышать 150 гс-см для обеих
плоскостей коррекции, в противном случае необходима частичная разборка и
разворот рабочих колес).
Требуемая точность размерных цепей для размеров А и D обеспечивается
методом регулировки - установкой компенсирующего кольца (обычно между
ступицами первого и второго или последнего и предпоследнего дисков), тол-
щина которого подбирается по таблицам, составленным на основании обобще-
ния предшествующего опыта сборки данных изделий (ГТД семейства Д-30 на-
ходятся в серийном производстве около 30 лет) и информации о действитель-
ных размерах собираемых деталей. Например, для двигателя Д-30 КУ компен-
сирующие кольца изготавливаются шести размерных групп с номиналами от 34
до 34,5 мм через 0,1 мм и допусками на высоту кольца в группе 0,05 мм. В том
134
случае, если полученные размеры А и D не входят в границы допусков, произ-
водится частичная разборка ротора и замена компенсирующего кольца.
Поскольку при сборке производится обжатие ротора на прессе (при этом
силы таковы, что номинальные напряжения на контактирующих поверхностях
деталей могут достигать половины предела прочности их материалов), возни-
кают значительные упругие объемные и упругопластические контактные де-
формации. Это приводит к изменению линейных размеров деталей, неопреде-
ленности осевого положения торцев ступиц и ободьев дисков относительно ва-
ла и, как следствие этого, значительной погрешности сборки ротора в осевом
направлении. В результате неопределенными становятся и величины зазоров
между кромками лопаток ротора и направляющего аппарата, что вызывает су-
щественное изменение эксплуатационных характеристик собранного ГТД.
Кроме этого, в связи с наличием отклонений от перпендикулярности тор-
цевых поверхностей дисков относительно их осей, при сборке с опрессовкой,
вследствие появления пары сил, возникают дополнительные изгибающие мо-
менты, что может привести к изменению схемы базирования диска на валу, ис-
кривлению оси вала, появлению дисбаланса собранного из отбалансированных
ступеней ротора, а также неодинаковости величины осевого зазора между
кромками лопаток ротора и направляющего аппарата в пределах одной ступени.
Поскольку эксплуатационные характеристики ГТД существенно зависят
от точности сборки ротора в осевом направлении, то допуски на перечисленные
выше размеры достаточно жесткие. Дальнейшее улучшение эксплуатационных
характеристик ГТД связано с еще большим ужесточением этих допусков, что
вызывает значительные трудности при изготовлении и сборке. Поэтому слож-
ная задача обеспечения заданной высокой точности сборки в настоящее время
решается методами регулировки (подбором компенсирующего кольца требуе-
мой толщины) и пригонки (шлифование или протачивание поверхностей дета-
лей после сборки). В том случае, если замыкающие звенья собранных размер-
ных цепей не попадают в пределы заданных жестких допусков, производится
частичная разборка ротора для замены компенсирующего кольца.
Вероятность возникновения необходимости этой операции достаточно
велика. Так, по данным ОАО «НПО «Сатурн» даже для хорошо освоенных в
производстве серийных двигателей Д-ЗО КУ и Д-ЗО КП она составляет от 10 до
40 %, что значительно повышает трудоемкость сборки и ухудшает ее качество,
так как диски устанавливаются на вал по переходной посадке, точность которой
при повторной сборке нарушается.
Стремление уменьшить вероятность трудоемкой повторной сборки и
объем пригоночных работ приводит к ужесточению производственных допус-
ков на размеры деталей, завышению требований к качеству поверхностей (па-
раметрам шероховатости, волнистости, отклонениям формы и расположения)
контактирующих торцев, влияющим на осевое положение деталей, но не на
эксплуатационные свойства их. Это ведет к значительному увеличению трудо-
135
емкости и себестоимости механической обработки деталей ротора (например
из-за необходимости дополнительной выверки заготовки после установки ее в
станочное приспособление). Кроме того, это вынуждает конструктора при про-
ектировании ГТД увеличивать жесткость деталей.
При сборке роторов ГТД дискового типа контролю обычно подвергают
следующие длиновые размеры:
- Loos - длина ротора в осевом направлении по ободу;
- Lsos - длина ротора в осевом направлении по ступице;
- Lvos - длина вала в осевом направлении;
- расстояния между наружными по отношению к ротору торцами обода и
ступицы в направлении оси вала для первого Д| и последнего и-го &п дисков
(рис. 5.5).
Рис. 5.5. Контролируемые размеры дискового ротора
Расчет производится в следующей последовательности.
1. Определение осевых перемещений и сил в системе диски-вал при оп-
рессовке роторного пакета после установки на вал дисков. Поскольку система
статически неопределимая, первоначально принимается ряд ограничений. От-
дельно рассматриваются роторы с четным и нечетным количеством дисков.
2. Определение осевых сил. После выборки осевых зазоров начинаются ли-
нейные и контактные деформации деталей ротора под действием осевых сил.
Величины осевых сил, действующих на каждую деталь, определяются путем
рассмотрения равновесия ступиц и ободьев отдельных дисков.
3. Определение контактных деформаций в системе диски-вал. Производится
по известным теоретическим формулам Э. В. Рыжова, Н. Н. Демкина и др.
4. Определение суммарных осевых деформаций деталей ротора. Произво-
дится с целью уточнения первоначально принятой модели с учетом деформа-
ций деталей.
136
5. Определение деформаций в роторном пакете после снятия силы пресса,
когда в системе диски-вал начинаются упругие деформации и в результате это-
го она приходит в новое положение равновесия. Условие равновесия: сила, соз-
даваемая дополнительно растянутым после снятия силы пресса валом, уравно-
вешивается силами на наружных торцах ступицы. Ротор принимает свои окон-
чательные размеры.
6. Определение размеров ротора после сборки.
С помощью полученных зависимостей определяются величины деформа-
ций всех деталей ротора на всех этапах сборки, что позволяет определить и все
размеры собранного ротора. Уравнения сборочных размерных цепей можно за-
писать в следующем виде.
Длина вала ротора после сборки
^vos =lvos +^VOS +^VOS’ (5-3)
ИЛИ
где lms - длина вала до сборки; Д/*04 - длина вала на этапе предварительного
обжатия на прессе собранного ротора.
Длина ротора по ступице после сборки
^SOS ~~^jsos +DSI)S> (5.5)
/-1
ИЛИ
где lsos (/) - длина ступицы /'-го диска в свободном состоянии.
Длина ротора по ободу после сборки
(5.7)
/=1
или
137
Loos = Zloos (0-Z G ((>! + l)xp/j (f,i + l)+C2 (Gi+Oxp/^ (m + i)
1=1 1=1.
Л ’ poos G'-lO+poos (м+0’ + у
>=1 _ Joos G"~l>0 Joos G'»l + 1)_ l~l
C2 (i,i+l)xP
oos
(5.8)
u
z
PpOS (j J Ppos Qu^l)
Joos G* —1*0 Joos +
где loos (z) - длина /-й детали ротора по ободу в свободном состоянии.
Расстояния между наружными по отношению к ротору торцами обода и
ступицы в направлении оси вала для первого и последнего дисков
Д, =д7 = Д° + defdos (l)+|fc ~D*OOS )-J(pZs -DZS \ (5.9)
Дп =Д7 = Д° +defdos (n)+J(p*0S ~D*OOS -DZS ), (5.10)
ИЛИ
Д1=Д1 =Д® + defdos (1)+^X
,-=1
C] (j,i+l)xCj (i,i+l)xp/’ (z,! + l)+
+ C2 (z,i + l)xP^v(i,!- + l)
(m + 1)
(5.11)
_l y pZs G-М) ! Psos (m + 1)
^4=1 J SOS 0 — J SOS G**'*'!)
Дл =Д*„‘ =Д°„ +defdos (n)+|s
z 1=1
Ci (i.i + OxCj (i,i+1)xp/v (i,i+1)+
+ C2(/>i + 1)xp2/v G.»' + l)
2м1Ло.0'-1.0
(5-12)
Psos G 1»0 + Psos G>^~*~0
J SOS G — J SOS (г'’г + 1)
Использование данной методики позволяет производить на ЭВМ матема-
тическое моделирование результата сборки ротора до ее физического осущест-
вления и тем самым свести к нулю вероятность возникновения необходимости
частичной разборки собранного ротора для замены компенсирующего кольца.
Виртуальность процесса сборки в данном случае позволяет решать задачу
обеспечения точности сборки методом направленного перебора нескольких ва-
138
риантов комплектации собираемого ротора и исключить вероятность переборки
при выполнении процесса физической сборки.
Порядок работы с предложенной методикой следующий. Для предвари-
тельно скомплектованного ротора производится расчет нежестких сборочных
размерных цепей, при этом первоначально задаются некоторой величиной раз-
мера компенсирующего кольца. Необходимые для расчета параметры собирае-
мых деталей (их действительные размеры, параметры состояния поверхностно-
го слоя, свойства материалов и прочие) берутся из паспортных или справочных
материалов. Если полученные после расчета величины контролируемых разме-
ров ротора входят в заданные на них допуски, то выбранное предварительно
компенсирующее кольцо обеспечивает требования к точности сборки ротора и
можно производить физическую сборку. В противном случае необходимо из-
менять размер компенсирующего кольца и, если позволяет конструкция, место
его расположения в роторе и повторять расчет до получения положительного
результата.
5.7. КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ И
КАЧЕСТВА СБОРКИ РОТОРА
Для практического использования полученных математических моделей
перед осуществлением виртуальной сборки необходимо контролировать вели-
чины осевых и радиальных биений основных и вспомогательных базирующих
поверхностей относительно собственных систем координат для каждой детали
роторного пакета.
Контроль геометрических параметров деталей может производиться не-
сколькими способами.
1. С помощью существующего контрольного оборудования и оснастки, на-
пример, известных приспособлений с механическими индикаторами часового
типа. Такой способ прост, не требует дополнительного оборудования и оснаст-
ки (поскольку в настоящее время такие приспособления в обязательном поряд-
ке уже применяются в производстве), дешев, однако достаточно трудоемок.
Высокая трудоемкость его связана с тем, что при выполнении контроля по это-
му способу необходимо вручную заполнять технологические документы (на-
пример контрольные карты) и также вручную вводить затем полученную ин-
формацию в базу данных ЭВМ.
2. С помощью универсальной автоматической координатно-измерительной
машины. Такие машины уже имеют в своем составе компьютер, который может
представлять результаты контроля в виде файла, легко вводимого в базу дан-
ных, используемую в программе расчета оптимального относительного распо-
ложения деталей ротора. Такая техника наиболее производительна, удобна,
обеспечивает очень высокую точность (до 0,2 - 0,5 мкм), однако стоимость ее
139
составляет от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч долларов США,
что делает ее практически непригодной для серийного производства в условиях
России.
3. С помощью универсального контрольно-измерительного комплекса, ос-
нащенного персональным компьютером (рис. 5.6 и 5.7).
вспомогательные
Рис. 5.6. Принципиальная схема контрольного приспособления
Рис. 5.7. Принципиальная схема контрольно-измерительного комплекса: 1 - контролируемая
деталь; 2 - датчик углового положения; 3 - датчики перемещения; 4 - измерительный
преобразователь; 5 - аналогово-цифровой преобразователь; 6 - интерфейс; 7 - компьютер
Контролируемая деталь устанавливается в самоцентрирующее
приспособление (рис. 5.6). Схема базирования детали в приспособлении совпа-
дает со схемой базирования ее в готовом изделии. Установочная база (три
опорных точки на торце детали) реализуются за счет того, что опорная поверх-
ность на нижнем опорном кольце 1 имеет монолитную конструкцию и изготов-
лено с высокой точностью, что обеспечивает определенность базирования и не-
прерывность контакта при вращении детали.
Между цилиндрической поверхностью контролируемой детали и цилинд-
рической поверхностью кольца 2 приспособления, также имеющего монолит-
ную конструкцию, есть небольшой зазор, что обеспечивает двойную опорную
базу на этой поверхности и позволяет компенсировать влияние геометрических
отклонений в точках контакта на результат измерения.
Для повышения точности измерения датчики перемещения устанавлива-
ются в средние положения (диаметр 0d и расстояние I от торца, где 1 - глубина
140
захода цилиндрической поверхности в охватывающую поверхность сопряжен-
ной детали при сборке) относительно контролируемых поверхностей. Контро-
лируемая деталь 1 вращается (рис. 5.7), сигналы с датчиков углового положе-
ния 2 и перемещения 3 преобразуются в электрические сигналы измерительным
преобразователем 4 и через аналогово-цифровой преобразователь 5 и интер-
фейс 6 поступают в компьютер 7. Компьютер создает базу данных по величи-
нам радиальных и осевых биений основных и вспомогательных поверхностей
для каждой из контролируемых деталей. Для переналадки приспособления не-
обходимо заменить его опорные элементы и поднастроить датчики перемеще-
ния.
Такой комплекс достаточно прост и почти полностью может быть ском-
плектован из готовых, имеющихся в продаже узлов и блоков: индуктивных
датчиков с их измерительными системами, аналогово-цифровых преобразова-
телей, интерфейсов, ЭВМ и существующих механических контрольных при-
способлений. Поскольку ЭВМ в данном случае не должна производить объем-
ных и сложных вычислений, требования к ней могут быть весьма невысокими.
Поскольку на одном комплексе могут контролироваться все детали роторного
пакета (контрольное приспособление должно иметь для этого сменные устано-
вочные элементы), такая стоимость вполне приемлема и должна быстро оку-
паться за счет значительного сокращения как самого времени контроля, так и
времени на обработку информации. Полученная информация о геометрических
параметрах деталей может храниться неограниченное время в памяти компью-
тера и, при необходимости, может быть распечатана.
Технология виртуальной сборки также позволяет производить компью-
терное моделирование и теоретическое исследование влияния параметров каче-
ства изготовления деталей и технологических условий сборки на качество
сборки ротора ГТД, решать другие подобные вопросы.
5.8. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СБОРКИ РОТОРОВ ГТД
При сборке сопряжений с натягом осевая сила, создаваемая силовым за-
мыканием, воспринимается силами трения между контактирующими поверхно-
стями и расходуется на локальные деформации деталей. В результате этого да-
же при больших величинах сборочных сил достигаемое относительное положе-
ние деталей не является стабильным и быстро изменяется при воздействии экс-
плуатационных факторов. Так, при неравномерном нагреве и воздействии цен-
тробежных сил происходит значительное уменьшение натягов (вплоть до пол-
ного их исчезновения и появления зазоров), а при воздействии вибрации резко
уменьшаются коэффициенты трения и возникают очаги интенсивного фрет-
тинг-износа. Вследствие этого у собранного и отбалансированного ротора в
первые часы его работы может происходить значительное изменение достигну-
141
тых при сборке относительных положений его деталей и возникновение значи-
тельного дисбаланса, что вынуждает снимать изделие с испытания, произво-
дить его перебалансировку или даже переборку. Это подтверждается производ-
ственным опытом ОАО «НПО «Сатурн». Например, при длительных испытани-
ях некоторых изделий с высокоскоростными роторами смешанной конструкции
были отмечены вибрации до 7g, в результате чего эти изделия с испытаний
снимались. Для определения причин таких вибраций изделия разбирались, ро-
торы ставились на балансировочный станок и определялись величины остаточ-
ных дисбалансов по плоскостям коррекции. При допустимом остаточном дис-
балансе не более 100 гмм по каждой плоскости (такая точность обеспечивалась
при балансировке собранных роторов на станке ДБ-101) были изделия, имев-
шие, например, дисбалансы 2559 гмм и 1396 гмм в первой и второй плоско-
стях коррекции соответственно. Такие роторы вновь балансировались и уста-
навливались на изделие для продолжения длительных испытаний. Это снижало
вероятность появления вибраций, однако не гарантировало полного их отсутст-
вия. При первых запусках перебранных изделий выявлялись вибрации до 4,9g,
для исключения которых проводились дополнительные подбалансировки рото-
ра по диску турбины. При этом вибрации снижались до нормы и в дальнейшем
при испытаниях не превышали 3g.
После окончания длительных испытаний изделия разбирались и проверя-
лись биения по лабиринтам проставок дисков. Для роторов, прошедших пере-
борки и перебалансировки, эти биения оказывались в норме (допуск 0,2 мм).
Это хорошо подтверждает тот известный факт, что достигаемая при сбор-
ке точность относительного положения деталей ротора не является окончатель-
ной и может значительно изменяться из-за смещения его деталей под действием
эксплуатационных факторов. В связи с этим для повышения стабильности ка-
чества ротора, достигаемого при сборке, могут быть рекомендованы некоторые
мероприятия при ее выполнении.
1. Уменьшение на время выполнения сборки величин натягов между по-
верхностями, являющимися основными и вспомогательными двойными на-
правляющими базами деталей. Это может быть достигнуто многими способами,
например нагревом охватывающей или охлаждением охватываемой поверхно-
стей; применением при сборке специальных деталей из материалов с эффектом
памяти формы (рис. 5.8), удаляемых после сборки; изготовлением некоторых
деталей ротора из материалов с эффектом памяти формы или нестабильным
структурно-фазовым составом (рис. 5.9); наведением при изготовлении деталей
сжимающих остаточных напряжений на наружной поверхности охватываемой
детали и на внутренней поверхности охватывающей детали (рис. 5.10); сборкой
предварительно напряженных деталей (рис. 5.11); использованием магнитост-
рикционного эффекта, использованием эффекта Пойнтинга.
142
Повышение качества сборки посадок с натягом может быть обеспечено за
счет уменьшения величины натяга (до образования посадки с небольшим зазо-
ром) на время выполнения сборочной операции.
На рис. 5.8 представлена схема сборки узла, содержащего точную посад-
ку с натягом. Перед сборкой на охватываемую деталь надевается с натягом
предварительно деформированное кольцо, изготовленное из материала с эф-
фектом памяти формы. В результате диаметр охватываемой поверхности не-
сколько уменьшается, что дает возможность качественно осуществить посадку.
После этого эффект памяти формы снимается, диаметр охватываемой поверх-
ности увеличивается и образуется необходимая точная посадка с натягом.
1 2
Рис. 5.8. Сборка с применением специальных деталей из материалов с эффектом памяти
формы: 1 - деталь с напрессованным кольцом из материала с эффектом памяти формы
присоединяется с зазором к другой детали; 2 - нагрев и удаление кольца;
3 - узел после сборки
При возможности использовании материала с эффектом памяти формы
для изготовления одной из собираемых деталей рассмотренная выше схема мо-
жет быть упрошена (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Сборка деталей из материалов с эффектом памяти формы или нестабильным струк-
турно-фазовым составом: 1 - сборка соединения с зазором; 2 - нагрев детали из материала
с эффектом памяти формы; 3 - образование натяга в соединении
Уменьшение размера охватываемой поверхности и увеличение размера
охватывающей поверхности может быть достигнуто путем использования дета-
лей, в соответствующих поверхностных слоях которых созданы сжимающие
143
остаточные напряжения (рис. 5.10). В этом случае после образования посадки
остаточные напряжения снимаются, происходит деформация посадочных по-
верхностей и окончательно образуется посадка с натягом.
На рис. 5.11 приведена схема сборки с использованием приспособления,
деформирующего диск 2 с целью увеличения величин его внутренних посадоч-
ных диаметров.
Рис. 5.10. Сборка деталей со сжимающими остаточными напряжениями: 1 - сборка
сопрягаемых деталей с зазором; 2 - образование натяга в соединении после релаксации
остаточных напряжений
Наиболее просто реализуется способ нагрева или охлаждения одной из
собираемых деталей. Однако этот способ и наименее удобен, т. к. после сопри-
косновения собираемых деталей очень быстро происходит выравнивание их
температуры. Другие способы реализуются сложнее, зато и изменение размеров
соединяемых деталей происходит значительно медленнее и может управляться
(например, воздействием температуры, вибрации, изменением напряженности
электромагнитного поля).
Рис. 5.11. Сборка предварительно напряженных деталей:
1,2, 3 - соединяемые детали ротора; 4 - корпус приспособления для
создания напряжений в детали 2; 5 - винт для создания давления
в гидропласте; 6 - гидропласт
Эффект Пойнтинга заключается в том, что при чистом кручении метал-
лических стержней они одновременно упруго удлиняются и увеличиваются в
объеме. Диаметр стержня при закручивании уменьшается, величина возникаю-
щего радиального сжатия его при этом пропорциональна квадрату угла закру-
144
чивания. Эффект был открыт давно, и еще Дж. Г. Пойнтингом было доказано,
что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля Юнга - это
позволяет предполагать, что свойства материала остаются без изменений.
2. Уменьшение сил трения между сопрягаемыми поверхностями. Приме-
нение любой смазки для этой цели неэффективно, поскольку сила трения в этом
случае уменьшается из-за наличия между трущимися поверхностями дополни-
тельного пластичного слоя, который, постепенно изменяясь под действием кон-
тактного давления, вызовет через некоторое время изменение достигнутого при
сборке относительного положения деталей. Значительное уменьшение сил тре-
ния может быть достигнуто путем высокочастотного вибрационного воздейст-
вия на сопрягаемые детали (например, воздействия ультразвука).
Известно, что трение покоя больше трения движения. При замене трения
покоя трением движения происходит существенное уменьшение силы трения и
одновременно ее стабилизация. Этот эффект используется, например, для изго-
товления подшипников скольжения особо чувствительных приборов: втулка
подшипника изготавливается из пьезоэлектрического материала и покрывается
электропроводящей фольгой; при пропускании переменного тока пьезоэлек-
трик вибрирует, ликвидируя трение покоя.
Таким образом, задачу повышения точности и стабильности сопряжения
деталей, соединяемых по посадке с натягом, можно решить, заставив трущиеся
при образовании посадки элементы совершать колебания с небольшой ампли-
тудой. При воздействии на собираемые детали пульсирующего электромагнит-
ного поля возможно уменьшение силы трения с одновременным изменением
размеров сопрягаемых деталей, что, очевидно, наиболее эффективно.
3. Обеспечение равномерного приложения силового замыкания. Это мо-
жет быть достигнуто как за счет обеспечения равномерности затяжки фланце-
вого группового резьбового соединения (например электроконтактным мето-
дом), так и за счет применения специального приспособления, создающего рав-
номерную нагрузку на поверхностях деталей с последующей затяжкой фланце-
вого группового резьбового соединения небольшой силой обычными методами
(рис. 5.12).
Равномерность осевой нагрузки на контактирующих поверхностях соби-
раемых деталей 1, 2 и 3 обеспечивается самоустановкой вилок 8 в направлении
оси ротора (обеспечивается гидравлической системой приспособления) и отно-
сительно внутренних поверхностей фланцев деталей 1 и 3 (обеспечивается ма-
ятниковой подвеской вилки в плунжере). После создания заданной осевой на-
грузки производится затяжка фланцевого группового резьбового соединения.
При этом необходимая сила затяжки болтов значительно уменьшается (по-
скольку соединяемые детали уже находятся в сжатом состоянии) и может быть
проконтролирована значительно точнее, чем при обычной затяжке.
145
Рис. 5.12. Принципиальная схема приспособления для создания
равномерной нагрузки на контактирующих поверхностях деталей: 1,2,3 - соединяемые
детали ротора; 4 - винт; 5 - крестовина раздвижная нижняя; 6 - крестовина раздвижная
верхняя; 7 - нагружающее устройство;? - вилка; 9 - плунжер, 10 - призонный болт;
11 - заглушка; 12 - шланг гидросистемы, 13 - крышка верхняя; 14 - корпус верхний
4. Воздействие нагрузок, имитирующих эксплуатационные, перед балан-
сировкой как отдельных собранных узлов (например, рабочих колес), так и все-
го ротора ГТД в сборе. В результате такого воздействия быстро произойдут
микроперемещения и приработка деталей (например хвостовиков лопаток в па-
зах типа «ласточкин хвост») и они займут положения, близкие к их стабильным
положениям в процессе эксплуатации. При последующей затем балансировке
будут ликвидированы как начальный, так и «приработочный» дисбалансы. По-
этому вероятность появления недопустимой неуравновешенности в процессе
эксплуатации у отбалансированного таким образом ротора будет намного
меньше, чем при балансировке его сразу после сборки.
Способы осуществления этого воздействия могут быть достаточно разно-
образными, например раскручивание рабочих колес до рабочих скоростей,
вращение собранного ротора в пульсирующем магнитном поле, нагрев с одно-
временным воздействием центробежных сил и вибрации и т. д.
Для ускорения процесса приработки деталей могут быть использованы
электропластический эффект и воздействие ультразвука.
Электропластический эффект в металлах заключается в том, что им-
пульсный электрический ток увеличивает пластичность и уменьшает хрупкость
металла, подвергающегося его воздействию. Причиной облегчения пластиче-
ской деформации металла является участие электронного газа в ее осуществле-
нии. Электронный газ из пассивной и тормозящей среды превращается в среду,
имеющую направленный дрейф в металле и поэтому ускоряющую движение и
146
взаимодействие носителей пластической деформации - дислокаций (или сни-
жающую обычное электронное торможение дислокаций). При пропускании
импульсного электрического тока высокой плотности (порядка 104 - 106 А/см2)
с частотой подачи 20 - 25 Гц через деформируемую деталь величина эффекта
может составлять несколько десятков процентов. Электрический ток вызывает
также увеличение скорости релаксации напряжений в металле и оказывается
удобным технологическим фактором для снятия внутренних остаточных на-
пряжений в металле. Электропластический эффект линейно зависит от плотно-
сти тока вплоть до величин 105 А/см2 при импульсном токе, а при переменном
токе не наблюдается вообще. Для практической реализации электропластиче-
ского эффекта необходимо создать хорошие условия для теплоотвода от под-
вергающегося воздействию тока изделия.
Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обуслов-
лено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируе-
мого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта: акустическое
разупрочнение и акустическое упрочнение. Первый эффект возникает в процес-
се воздействия интенсивного ультразвука и заключается в уменьшении стати-
ческого напряжения, необходимого для осуществления пластической деформа-
ции. Акустическое разупрочнение в этом случае является результатом актива-
ции дислокаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии
в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовер-
шенств кристалла. Благодаря этому за малое время происходит локальный на-
грев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблокировка
дислокаций и увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсив-
ный ход пластической деформации. Например, при наложении колебаний ульт-
развуковой частоты на валики прокатного стана в направлении, параллельном
осям их вращения, силы деформации металла снижается в 1,5 - 2 раза, а допус-
тимая степень пластической деформации увеличивается на 20 - 50 % при одно-
временном резком снижении контактного трения.
Акустическое упрочение металлов достигается после воздействия ультра-
звуковых волн достаточно высокой интенсивности.
5. Необратимое и управляемое изменение размеров, формы или относи-
тельного положения базирующих поверхностей либо отдельных их участков у
собираемых деталей. Для этой цели возможно как снятие (пригонка), так и на-
несение слоя металла (твердых покрытий), использование эффектов памяти
формы и радиационного распухания, изменение структурно-фазового состава и
внутренних напряжений в деталях.
Известно, что нейтрон представляет собой электрически нейтральную
частицу с массой покоя, равной приблизительно массе покоя протона, вместе с
которым они образуют ядра всех элементов. Поскольку нейтрон электрически
нейтрален, он может вызывать различные ядерные реакции, в частности цепные
реакции деления тяжелых ядер (тория, урана, плутония), осуществляемые в
ядерных реакторах. По величине кинетической энергии принято различать бы-
стрые, промежуточные и тепловые нейтроны. В зависимости от этой энергии
нейтроны по-разному взаимодействуют с веществом. Тепловые нейтроны взаи-
модействуют практически со всеми ядрами элементов, а в тяжелых вызывают
147
реакцию деления. Промежуточные нейтроны также поглощаются ядрами, но
при повышении энергии до некоторого значения ядрами поглощается уже
меньшая их часть, а большая неупруго рассеивается - замедляется, теряя свою
кинетическую энергию.
При облучении детали быстрыми нейтронами, они врываются в недра ме-
талла и, сталкиваясь с ядрами ионов или атомов, выбивают их из узлов кри-
сталлической решетки. Те, в свою очередь, взаимодействуя с другими ионами,
либо остаются на месте, либо оставляют эти места свободными. Большая часть
ионов внедряется в междоузлия. Внедрившиеся частицы, расталкивая ионы и
атомы кристаллической решетки, деформируют металл. При очень интенсив-
ном облучении быстрыми нейтронами различных веществ наблюдается явление
нейтронного распухания - увеличение объема облучаемого вещества, что мо-
жет быть использовано, например, для правки массивных металлических дета-
лей. Обрабатываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем, причем
осуществлять правку можно на уже готовой машине. Нейтронное воздействие
не просто выпрямляет деталь, а перераспределяет внутренние напряжения до
нового равновесного состояния массой внедрившихся частиц. Поэтому обрабо-
танная деталь самопроизвольно уже не разогнется.
Максимальное изменение объема стали при нейтронном облучении со-
ставляет около 0,3 %. Неметаллические и композиционные материалы при об-
лучении изменяют свой объем еще сильней, например, некоторые пластмассы -
до 24 %.
6. Подбор или регулировка положений деталей для уменьшения не только
статической, но и моментной неуравновешенности отдельных узлов (например,
рабочих колес). Путем подбора лопаток по статическому моменту при расста-
новке их можно компенсировать эксцентриситет центра масс рабочего колеса,
однако погрешность пространственного расположения главной оси инерции его
при этом не компенсируется. После расстановки лопаток в диске эта погреш-
ность может как уменьшиться, так и увеличиться. Степень этого изменения за-
висит от соотношения величины диаметра, на котором номинально располага-
ются центры масс лопаток, и возможными величинами отклонений их осевого и
углового расположения. На осевое и угловое положение центров масс лопаток
влияют многие погрешности изготовления хвостовика и лопатки в целом, паза в
диске и самого диска, а также погрешности сборки рабочего колеса и всего ро-
тора (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Осевое смещение центра тяжести лопатки
148
Принципиально возможно регулирование пространственного положения
ГЦОИ (главная центральная ось инерции) рабочего колеса смещением отдель-
ных лопаток вдоль оси паза диска. Для осуществления такого регулирования
необходимо:
- определить перед сборкой рабочего колеса положение ГЦОИ диска;
- иметь методику определения оптимального положения ГЦОИ в готовом
изделии до осуществления сборки ротора;
- иметь методику определения величины необходимого перемещения лопа-
ток;
- иметь достаточно простые и надежные конструктивные и технологиче-
ские средства для осуществления такого перемещения.
Для решения первой задачи могут использоваться известные методы,
осуществимые в производственных условиях. Очевидно, что решение второй
задачи - регулирование пространственного положения ГЦОИ отдельной ступе-
ни ротора - имеет смысл только в том случае, если еще до осуществления его
известно положение данной ступени в собранном изделии. Описанная выше
методика расчета положений деталей роторного пакета после сборки позволяет
решать эту задачу. Решение третьей задачи может быть легко осуществлено из-
вестными методами теоретической механики.
Для осуществления смещения лопаток или их центров масс вдоль оси па-
за диска могут быть использованы простые и надежные элементы (рис. 5.14),
представляющие собой несколько измененные обычные детали для фиксации
осевого положения рабочих лопаток в пазах диска.
Регулировка пространственного положения ГЦОИ рабочего колеса воз-
можна также путем подбора лопаток или других деталей роторного пакета.
Выбор конкретного способа регулирования определяется конструкцией
узла, содержащего нежесткую размерную цепь.
Рис. 5.14. Детали для регулирования осевого положения
центра масс лопатки
149
Глава 6. ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ СБОРКИ
6.1. СБОРКА С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
Перспективным направлением повышения эффективности и качества
сборки соединений с натягом является применение ультразвука, когда деталям
сообщаются колебания с ультразвуковой частотой. Ниже приведены результаты
исследований, проведенных в Самарском государственном техническом уни-
верситете под руководством профессора Б. Л. Штрикова [49-51].
На рис. 6.1 приведены две схемы воздействия ультразвуковых колебаний
на вал. Согласно схеме на рис. 6.1, а, продольные колебания сообщаются валу,
не прикрепленному к концентратору, в результате чего взаимодействие концен-
тратора 1 и вала 2 носят дискретный характер. На рис. 6.1, б вал жестко крепит-
ся цанговым зажимом 3 к концентратору и является, таким образом, частью
ультразвуковой колебательной системы. Аналогично могут сообщаться колеба-
ния и втулке.
Рис. 6.1. Принципиальные схемы
сообщения ультразвуковых
колебаний валу при сборке
Режимы запрессовки в рассматривае-
мом исследовании изменялись в пределах:
скорость v = 0,001...0,01 м/с, амплитуда коле-
баний = 5.. .20 мкм, частота /= 22 кГц. Ве-
личина натяга А варьировалась от 0,005 до
0,02 мм. В качестве втулок использовались
внутренние кольца подшипников № 25, 202 и
203 из стали ШХ15СГ (HRC 62...64) с шеро-
ховатостью посадочных поверхностей
Ra 0,20...0,32 мкм, а также втулки из стали
ШХ15СГ (НВ 210), из стали 45 (НВ 200) с
Ra 0,63... 1,25 мкм. Валы изготавливали из тех
же материалов.
Оценка эффективности процесса производилась по результатам измере-
ния статической и динамической прочности на сдвиг Рр (силы распрессовки), и
несущей способности соединений на сдвиг при кручении Мкр.
Исследования показали, что введение ультразвуковых колебаний в зону
соединения деталей изменяет характер взаимодействия их поверхностей, что
проявляется, в частности, в снижении силы запрессовки во всем принятом диа-
пазоне режимов. На рис. 6.2 приведены графики изменения силы запрессовки
Р, в зависимости от скорости v = £,оэ, (где <о = 2тг/), величины натяга при нало-
жении колебаний на вал согласно рис. 6.1, б. Оказалось, что при сообщении ва-
лу из стали 45 продольных ультразвуковых колебаний происходит снижение
силы запрессовки Р3 в 3...20 раз, а при натягах до 0,010 мм и значительной ско-
рости 1,8 м/с практически падает до нуля. Причем оптимальное значение
скорости, при которой Р3 минимально, соответствует 2,5 м/с при натягах в со-
150
единениях деталей Др = 0,020 и 0,015 мм, 2,2 м/с при Д, = 0,010 мм и 1,8 м/с при
Др = 0,005 мм.
На рис. 6.2 пунктирными линиями показаны зависимости Р3 =/£<о), по-
лученные расчетным путем. Сопоставление экспериментальных и расчетных
значений показывает, что максимальное расхождение между ними не превыша-
ет 15 %.
При запрессовке деталей, наряду с продольными колебаниями с амплиту-
дой в зоне контакта возникают поперечные колебания с амплитудой
(здесь ц - коэффициент Пуассона), направленные нормально к поверхности
контакта. В результате, например, при £, = 20 мкм процесс сборки осуществля-
ется также с нормально направленными ультразвуковыми колебаниями с ам-
плитудой 5„0„ = 6 мкм.
Рис. 6.2. Зависимость силы запрессовки от скорости:
1 - Др = 0,020 мм; 2 - Др = 0,015 мм; 3 - Др = 0,010 мм; 4 - Др = 0,005 мм;
--- ----экспериментальные значения;--------расчетные значения
На рис. 6.3, а представлены результаты изменения Р3 в зависимости от
величины натяга и амплитуды колебаний (/=22 кГц) при сборке деталей из
стали ШХ15СГ (HRC 62...64) по схеме, приведенной на рис. 6.1, а.
При сборке соединений по второй схеме (рис. 6.1, б), когда вал является
частью ультразвуковой колебательной системы, характер изменения сил за-
прессовки в зависимости от режимов в основном сохраняется (рис. 6.3, б). Вме-
сте с тем, для исследованного диапазона натягов и амплитуд колебаний уста-
новлено увеличение сил запрессовки по сравнению с ультразвуковой сборкой
по схеме, приведенной на рис. 6.1, а. Так, при амплитуде £, = 5 мкм Р3 уменьша-
151
ется на 22 % (Лр = 0,005 мм) и на 19 % при = 0,020 мм, в то время как в пер-
вом случае при аналогичных условиях снижение сил составляет соответственно
60 и 40 %.
а
Рис. 6.3. Влияние натяга деталей в соединении и амплитуды УЗК
на силу запрессовки: 1-^ = 0; 2-^ = 5 мкм; 3 - ^ = 15 мкм; 4 - ^ = 20 мкм
б
Наукоемкость этого метода сборки заключается в установлении зависи-
мостей между эксплуатационным свойством соединения, которое можно харак-
теризовать силой распрессовки или несущей способности соединений на сдвиг
Мкр, и режимами запрессовки (скорость запрессовки v, амплитуда 6, и частота
колебаний/, а также величиной натяга).
В исследовании [51] это рекомендуется осуществлять с использованием
зависимостей:
- сила запрессовки
Р3 =Fo + +'lf2v0^+f2^2<s>2
где Fo - максимальная сила трения между поверхностями соединяемых деталей
в обычных условиях; v„ - скорость скольжения в обычных условиях; - ампли-
туда колебаний; со = 2 wfk круговая (угловая) частота; fk - частота колебаний;
[ + 1приу>0
singn v = •! ; значения/>,/], и/2 определяются по табл. 6.1.
[-1прит<0
152
Таблица 6.1
Значения коэффициентов/
Значения коэффициентов Сила, действующая вдоль осей сопрягаемых деталей, Н Л /1 Л
5,0 0,731 0,502 0,099
20,0 2,11 0,874 0,174
- оптимальное значение колебательной скорости
T-fz ’
- зависимость между величиной натяга, амплитудой колебаний и парамет-
рами шероховатости, определяющими несущую способность поверхностей:
при ультразвуковой сборке по схеме 6.1, а
йа = О,1О5^о’28Д/,-0’16; Rp = 0,050£>°’sl^p'<>'iS;
tm = 1,840^“°’1бД/,°’18; р = 6,289-104 ^’^д/’65;
при ультразвуковой сборке по схеме 6.1, б
Ла = О,224^°‘19Д/,-0’11; Rp = 0,41°’29 А р~°’17;
tm =0,780СО’О7ДрО,1<); р = 1,887-103 £,-°’37Д^р0’26,
где Rp - высота сглаживания (расстояние от линии выступов неровностей до
средней линии в пределах базовой длины); tm - относительная опорная длина на
уровне средней линии; р - средний радиус выступов.
Для обеспечения требуемых параметров шероховатости поверхности с
целью обеспечения соответствия между ними, а также расчетным натягом и
амплитудой колебания необходимо рассчитывать режимы обработки с учетом
положений изложенных в работе [54, глава 4].
Метод обеспечения качества соединений с натягом с наложением ультра-
звуковых колебаний на собираемые детали является перспективным, т. к. он
позволяет повысить качество сборки, заключающееся в:
- значительном снижении сил запрессовки;
- повышении прочности соединения;
- упрочнении поверхностных слоев собираемых деталей в процессе сборки;
- повышение производительности и др.
153
6.2. СБОРКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЛЕЕВ
Использование для уплотнения соединений традиционных твердых про-
кладок требует применения дорогостоящего оборудования, высокой квалифи-
кации рабочих, точности и качества выполнения соединений, высокой трудо-
емкости обработки, технического обслуживания и ремонта. Одним из решений
задачи уплотнения соединений является применение адгезивов. Условно все
применяемые адгезивы можно разделить на термореактивные и термопластич-
ные. Термореактивные адгезивы при отверждении переходят в нерастворимое и
неплавкое состояние. Термопластичные адгезивы после образования соедине-
ния сохраняют способность к повторному применению под воздействием тем-
пературы.
Герметизация соединений с помощью адгезивов имеет ряд преимуществ
перед традиционными методами. Адгезивы способны заполнить все микро- и
макронеровности на поверхности герметизируемого стыка, устраняя возмож-
ность утечки. Адгезивные уплотнения обладают способностью вибро- и шумо-
поглощения, их можно наносить в режиме безотходного производства непо-
средственно на месте сборки, обеспечивая низкую трудоемкость процесса и не
тратя времени на транспортировку и хранение. Адгезивы обладают независи-
мостью адгезионных и когезионных характеристик от габаритов соединения, не
образуют гальванической пары, блокируют коррозию.
В последнее время в машиностроении, в технологии сборки, ремонта и
обслуживания машин и оборудования получили широкое распространение со-
временные композиционные материалы, обладающие высокими физико-
техническими характеристиками, универсальностью. При выполнении сбороч-
ных соединений такие материалы могут использоваться для:
- обеспечения большей определенности положения деталей в работающей
машине при воздействии эксплуатационных факторов;
- повышения жесткости, герметичности, демпфирующей способности и
других параметров качества стыков деталей;
- замены традиционных фиксирующих резьбовые соединения элементов
(контргаек, стопорных шайб и т. п.);
- фиксации гладких цилиндрических соединений;
- замены традиционных методов соединения деталей (сварки, пайки, клеп-
ки и т. п.) новым технологическим процессом - холодной сваркой (склеивание,
формование, заделка дефектов с помощью металлополимерных материалов).
Достоинствами данных материалов и технологий их применения являют-
ся:
- простота приготовления смеси;
- надежность соединений и высокое качество изготовления и ремонта из-
делий;
154
- наличие гигиенических сертификатов, что позволяет использовать такие
материалы даже в трубопроводах и емкостях пищевой промышленности.
Металлополимеры - это двухкомпонентные полимерные материалы, на-
полненные мелкодисперсными металлическими или минеральными порошка-
ми. Они могут успешно применяться в сборочном и ремонтном производстве
для соединения разнородных материалов, в том числе для:
- устранения дефектов литья и сварных швов;
- устранения течей в трубопроводах и емкостях водо-, тепло- и газоснаб-
жения;
- устранения раковин, трещин, сколов в корпусных деталях;
- восстановления валов в подшипниковых соединениях;
- восстановления элементов оборудования, подвергшегося коррозии, эро-
зии, абразивному износу;
- восстановления направляющих скольжения металлорежущего оборудова-
ния.
Металлополимеры, выпускаемые ведущими производителями в настоя-
щее время, обладают следующими преимуществами, обеспечивающими их ши-
рокое применение:
- компоненты не требуют точной дозировки при перемешивании, зритель-
ная оценка объема обоих компонентов обеспечивает получение полноценного
материала;
- легкостью перемешивания основы и отвердителя - благодаря контраст-
ному цвету компонентов можно зрительно контролировать качество перемеши-
вания, добиваясь однородности цвета материала;
- отсутствием изменения объема в процессе полимеризации металлополи-
меров;
- высокой термостойкостью;
- высокой адгезией к стали, чугунам, цветным металлам, стеклу, древесине,
бетону и пластмассам (за исключением тефлона и полиэтилена);
- способностью качественного отверждения даже при температурах поряд-
ка +5°С;
- высокой стойкостью против давления и вибрации, ударопрочностью;
- эластичностью, исключающей негативное влияние коэффициента расши-
рения разных материалов;
- отсутствием токсичности, подтвержденным допуском к контакту с питье-
вой водой;
- стойкостью против коррозии, эрозии, кавитационного износа;
- высокой химической стойкостью.
Анаэробные клеи и герметики обладают высокими прочностными харак-
теристиками, температуростойкостью, вязкостью и малым временем полимери-
зации. Каждая марка клея имеет свою область применения.
155
Существуют несколько групп анаэробных клеев, различающихся по
прочности, температуростойкости, вязкости. Выбор клея осуществляется исхо-
дя из условий работы склеиваемого объекта и особенностей технологии его
сборки.
Кроме анаэробных клеев и герметиков различными производителями
предлагаются:
- микрокапсулированные клеи, представляющие собой каплю клея, заклю-
ченную в желеобразную оболочку, и предназначенные для контровки резьбо-
вых соединений;
- антикоррозионные защитные покрытия;
- эластомерные материалы (75Т, 90Т, 75F, 90F) для восстановления обре-
зиненных валов и резинотехнических изделий.
Число производителей металлополимерных композиций и анаэробных
клеев постоянно увеличивается и в России, и за рубежом. Наиболее качествен-
ные (и дорогостоящие) материалы производят известные фирмы «Локтайт» и
«Бельзона», США; «Дурметал», Швейцария; «Диамант», ФРГ. По соотношению
«цена/качество» более привлекательными являются материалы менее именитых
производителей, например польской компании «Честер молекуляр», которая
поставляет в Россию гамму металлополимерных композиций и анаэробных
клеев. Материалы этой и других подобных фирм обладают достаточно стабиль-
ным качеством, по своим физико-техническим характеристикам не уступают
материалам более известных производителей, но значительно дешевле их.
Например, для предотвращения самопроизвольного ослабления резьбо-
вых соединений фирмой «Локтайт» разработаны жидкие однокомпонентные
составы анаэробного действия, которые наносят перед сборкой в место сопря-
жения резьбовой пары. Они заполняют все зазоры и надежно фиксируют резь-
бовое соединение. При заполнении зазора в резьбе клеем, несмотря на 100%-ю
фиксацию, соединение легко разъединить с помощью обычных инструментов.
Механизм полимеризации заключается в следующем: при соединении
резьбовой пары состав, находясь без контакта с атмосферным кислородом, по-
лимеризуется, образуя вибростойкое соединение с хорошим адгезионным кон-
тактом, защищающее и от коррозии.
Для подбора фиксатора необходимо иметь следующие данные:
- состав окружающей среды;
- диаметр резьбы;
- зазор в резьбовом соединении;
- рабочую температуру соединения;
- материал резьбовых деталей;
- необходимое время полимеризации.
156
Характеристики резьбовых фиксаторов приведены в табл. 5.2. Промыш-
ленная гамма резьбовых фиксаторов фирмы «Локтайт» имеет трехзначный но-
мер, начинающийся с цифры 2.
Для обеспечения демонтажа резьбового соединения, зафиксированного
при помощи среднепрочных уплотнителей, необходимо механическое воздей-
ствие; зафиксированного при помощи трудноразъемного фиксатора - нагрев
соединения до 200°С.
Технология уплотнения резьбовых трубных соединений применима для
герметизации газопроводов, водопроводов, отопительных систем, гидравличе-
ских систем и пневматики.
Для герметизации резьбовых трубных соединений, работающих в усло-
виях вибрации, воздействия агрессивных сред, перепадов температур и давле-
ний используют уплотнители фирмы «Локтайт» (промышленный код имеет
первую цифру 5: 577, 542, 511 и др.). Характеристики резьбовых трубных уп-
лотнителей приведены в табл. 6.3. Данные, необходимые для подбора уплотни-
теля, аналогичны данным для подбора резьбовых фиксаторов.
Эти материалы заменяют традиционные средства для уплотнения резьб,
такие как пасты, пенька, ленты с тефлоновым покрытием (рис. 6.4 - 6.5).
Рис. 6.4. Нанесение фиксатора
на резьбовые детали
Рис. 6.5. Уплотнение резьбового
трубного соединения
Принцип полимеризации уплотнителей - анаэробный. Реакция полимери-
зации протекает без доступа воздуха, в контакте с металлической или пласти-
ковой поверхностью.
Резьбовые фиксаторы фирмы «Локтайт»
Таблица 6.2
Номер фикса- тора Материал резьбовой детали Диаметр резьбы, мм Рабочая температура, °C Прочность соединения, МПа Время полимериза- ции при 22 °C, ч (сталь)
221 Латунь М5...М12 -55...+150 <15 6
222 Металлы ДоМЮ -55...+150 <15 6
241 Латунь М5...М12 -55..+150 >15 6
243 Металлы До М36 —55...+15O <15 1,5
245 Металлы М36...М80 -55...+150 >15 1,5
262 Металлы М5..М12 -55...+150 >15 7
270 Металлы До М20 -55...+150 >15 24
271 Анодированные материалы М5...М12 -55...+150 >15 7
511 Латунь М12...М38 -55...+150 <15 24
577 Хромированные и никелированные материалы М12...М38 -55...+150 <15 6
620 Металлы М8...М36 До +230 >15 7
Резьбовые трубные уплотнители фирмы «Локтайт»
Таблица 6.3
Номер уплотните- ля Материал трубы Диаметр резьбы, мм Рабочая температура, °C Прочность соединения, МПа Время полимеризации, при 22 °C, ч Время фиксации, мин Макс, зазор, мм
511 Металл ОтМ12доМ36 -55...+150 5...15 24 15...30 од
542 Металл До М20 -55...+150 15...35 12 15...30 0,1
577 Металл ДоМ80 -55...+150 9...25 6 15...30 0,1
620 Металл От М8 до М36 До +230 15 12 15 0,25
5331 Пластик 6 30...60 0,1
158
Преимущества использования уплотнителя:
- трубы и соединения могут быть при необходимости выверены;
- лишний уплотняющий материал легко удаляется;
- уплотняет до состояния полного затвердевания;
- выдерживает давление вплоть до разрыва трубы;
- уплотняет и работает на скручивание;
- не загрязняет трубопроводы;
- тиксотропен (не стекает с вертикальных и отвесных поверхностей);
- защищает от коррозии;
- безопасен и экологически безвреден.
Ограничения: не применяют для соединений, используемых в трубопроводах
для подачи кислорода; максимальная рабочая температура +230°С; максимальный
диаметр трубы М80.
Демонтаж соединений: при использовании среднепрочных уплотнителей -
механический, для высокопрочных уплотнителей необходим предварительный на-
грев до 260°С.
Подготовка соединяемых поверхностей и нанесение уплотнителя происходит
так же, как при нанесении фиксатора на резьбовые детали.
Условия полимеризации материала:
- обеспечить выдержку уплотненного узла без подачи давления до достижения
полной полимеризации материала в течение времени, указанного в технических ха-
рактеристиках;
- остатки материала удалить механическим способом;
- при повторном применении очистить детали проволочной щеткой.
Анаэробные материалы могут использоваться для уплотнения плоских по-
верхностей (рис. 6.6).
Преимущества использования анаэробных материалов:
- возможность уплотнения поврежденных и шероховатых поверхностей (допол-
нительная механообработка может не понадобиться);
- герметик наносят из тюбика на детали любой формы и размеров.
«Локтайт 518» заменяет прокладки из твердых материалов для жестких конст-
рукций. Он заполняет зазоры до 0,5 мм, термостойкость до 150°С.
«Локтайт ФАГ» - силиконовый герметик для плоских поверхностей, эласти-
чен, термостойкость до 260°С. Заменяет прокладки из твердых материалов, особен-
но эффективен для тех деталей, которые не плотно прилегают друг к другу или не
имеют достаточной жесткости на скручивание. Уплотняет зазоры до 0,5 мм.
«Локтайт ФАГ 2» - неотверждающийся герметик, который применяют вместе
с прокладками из твердых материалов (для всех видов прокладок). Сохнет медлен-
159
но, превращаясь в эластичную пленку. При этом получают соединения, легко под-
дающиеся демонтажу. Имеет термостойкость до 200°С.
Материалы стойки к воздействию большинства жидкостей и газов, исполь-
зуемых в промышленности. При их применении в контакте с концентрированными
кислотами и щелочами следует проводить предварительные испытания.
Специальные фиксаторы фирмы «Локтайт», используемые в соединениях вал-
втулка (рис. 6.7), основаны на анаэробном принципе действия и имеют промышлен-
ный код, начинающийся с цифры 6 (602,620,638,648 и др.).
Рис. 6.7. Нанесение фиксатора в
соединениях вал - втулка
Рис. 6.6. Уплотнение
плоских поверхностей
Технические характеристики фиксаторов приведены в табл. 6.4 и 6.5.
Преимущества использования фиксаторов:
- защищают от коррозии детали соединения;
- обеспечивают равномерную передачу крутящего момента;
- повышают качество сборки;
- обеспечивают уплотнение;
- снижают величину напряжений в деталях соединения;
- увеличивают срок службы узла.
При подготовке поверхности необходимо обеспечить шероховатость сопря-
гаемых поверхностей; обезжиривание составом 7063 или 7061.
При подборе фиксатора для соединения вал - втулка необходимо учесть сле-
дующие данные: материалы соединяемой пары; диаметр сопрягаемых деталей; вид
сопряжения с зазором (подвижная) или с натягом (при посадке с зазором - величина
зазора); нагрузки на вал; геометрические размеры деталей (ширина соединения
должна быть не менее величины диаметра сопряжения); температура полимериза-
ции - не менее +5°С; рабочая температура; шероховатость поверхности.
При посадках с зазором используют фиксаторы 603, 620, 648, 638; при посад-
ках с натягом - фиксатор 620.
Фиксаторы для соединений вал - втулка фирмы «Локтайт»
Таблица 6.4
Номер фиксатора Назначение Максимальный радиальный зазор, мм Рабочая температура, °C Прочность соединения, МПа Время полимери- зации, при 22°С, ч(сталь)
603 Подвижная посадка; прессовая посадка при d < 60 мм о,1 -50...+150 <15 12
620 Подвижная посадка; прессовая посадка при d > 60 мм От 0,1 до 0,25 -50...+230 <15 12
638 Подвижная посадка От 0,1 до 0,25 -50...+150 > 15 24
648 Подвижная посадка; прессовая посадка при d > 60 мм 0,1 -50...+175 < 15 24
Обозначение: d - диаметр вала.
Таблица 6.5
Клеи фирмы «Локтайт»
Характеристики сварного шва Клеи, используемые для склеивания материалов
Дерево Резина Стекло Пластмасса Металл
Площадь соединения, см2 <25 401;454 401 595 401;406+770 454
25...500 Фаст эпокси 401 595 454;406+770 Фаст эпокси; 595
>500 Фаст эпокси — 595 Фаст эпокси Фаст эпокси; 595
Зазор в соединении, мм <0,2 Фаст эпокси 401 — 401; 406+770 454
0,2...0,5 Фаст эпокси 454 595 454; 406+770; Фаст эпокси Фаст эпокси; 595
>0,5 Фаст эпокси — 595 Фаст эпокси Фаст эпокси
Рабочая температура, °C <80 Фаст эпокси 401 595 401; 406+770; Фаст эпокси Фаст эпокси; 454
80... 120 Фаст эпокси — 595 Фаст эпокси Фаст эпокси
120...160 — — 595 — 595
Скорость отверждения 5...6O с 401;454 401; 454 — 401; 454; 406+770 454
5...10 мин Фаст эпокси Фаст эпокси — Фаст эпокси Фаст эпокси
>1ч — — 595 595 595
Примечание. Фаст эпокси - быстроотверждающаяся эпоксидная смола. Применяют для склеивания жестких деталей с большой поверх- ностью соединения.
161
При посадке с натягом следует учитывать, что при достижении наивысшей
указанной в каталоге температуры физико-технические характеристики фиксаторов
снижаются.
Склеивание различных материалов осуществляют материалами «Локтайт»,
начинающимися с цифры 4.
«Локтайт 401» - универсальный сверхбыстродействующий клей. Рекоменду-
ется для склеивания дерева, керамики, резины и пластмассы (исключение составля-
ют полиолефины).
«Локтайт 454» - сверхбыстродействующий клей-гель. Не капает и не течет.
Можно применять для склеивания металлов и деталей с неровными поверхностями.
Не впитывается пористыми материалами (дерево, бетон, бумага, картон).
Комплект «Локтайт 406» и праймер 770 применяют для склеивания большин-
ства полиолефинов, например, полиэтилена и полипропилена. Можно использовать
для склеивания эластомеров, политетрафторэтилена, этиленпропиленового тройного
сополимерного каучука, силиконовой резины.
Поверхности, которые необходимо склеить или уплотнить, очищают и обез-
жиривают с помощью универсальных материалов фирмы «Локтайт» 7061 или 7063,
ПО оставляя следов и пленки. С их помощью удаляют жир, масло и грязь с электри-
ческих контактов, инструмента и точных приборов. Такие материалы легко воспла-
меняются, поэтому их применение возможно только в хорошо проветриваемом по-
мещении.
При склеивании пластмасс необходимо проводить пробы на совместимость
Мат ериала для очистки поверхности и пластмассы.
Пока не испарился растворитель, поверхность следует протереть чистой тряп-
кой.
Перед склеиванием поверхности зачистить, а затем обезжирить.
Сборочные пасты предотвращают схватывание деталей в ходе сборки и по-
давляют коррозию деталей, которые подвергаются воздействию агрессивных сред, а
НИоке высоких или низких температур. Их применяют для подшипников, цепей, ко-
робок передач, подшипниковых вкладышей, шарниров, шпинделей.
«Локтайт Анти-сайз» применяют при высоких нагрузках и низких частотах
Вращения (кроме подшипников качения). Он обладает высокой термостойкостью (до
1100°С), предотвращает заедание и появление ржавчины на рабочих поверхностях,
ИО разрушает резину, не растворяется в смазочно-охлаждающих жидкостях.
Паста «Локтайт» - пятицелевой спрей. Он облегчает разборку соединений,
гмозывает и очищает поверхности, защищает электрические детали от влаги и кор-
розии; обладает водоотталкивающими свойствами, не содержит силикона.
«Локтайт 8191» - универсальный смазочный материал на основе M0S2. Под-
МОДит для всех видов подшипников, коробок передач, направляющих, а также штам-
162
побочного оборудования. Выдерживает температуры до 450°С. Улучшает работу
масел и смазок.
«Локтайт 8192» - тефлоновое покрытие. Является сухой смазкой движущихся
деталей для снижения трения и износа. Используется на конвейерных лентах, на-
правляющих. Выдерживает температуры до 200°С.
Полимерные материалы фирмы «Локтайт»:
- повышают качество сборки и ремонта;
- снижают затраты времени;
- увеличивают срок эксплуатации;
- снижают расходы на замену оборудования;
- повышают безопасность производства.
Основные физико-технические характеристики
материалов фирмы «Честер Молекуляр»
Плотность, г/см3 Температуростойкость, °C Рабочая температура, °C Твердость, НВ Прочность, МПа: 1,5-2,0 200 (макс.) -50...+175 85-115
на сжатие на изгиб на сдвиг (сталь по стали) 120- 150; 90-110; 20-25.
Химическая стойкость к воде, маслам, моторным топливам, неконцентриро-
ванным (10 - 15 %) кислотам и щелочам.
Характеристики клеев фирмы «Честер Молекуляр»
Прочность на сдвиг, МПа
Температуростойкость, °C
Уровень вибраций, Гц
Расход клея (г) на 1 см2
5-45
-50...+250
20- 1200
0,005
6.3. МЕТОДЫ POKA-YOKE ПРИ СБОРКЕ
В основе современного бездефектного производства лежит метод защиты от
ошибок, получивший название покэ-ёка (Poka-Yoke).
Дефекты в производстве по большей части возникают из-за увеличения вариа-
бельности характеристик процесса, разброс которых, в свою очередь, может быть
следствием:
- некорректно разработанных стандартов или процедур;
163
- использования некачественного оборудования;
- применения неподходящих материалов;
- изношенности инструментов;
- ошибок операторов.
Устранение первых четырех причин дефектов может быть осуществлено с по-
мощью корректирующих и предупреждающих действий. Предотвратить же ошибки
операторов достаточно трудно.
Известно, что совершать ошибки в процессе работы для людей - естественно,
и это не является показателем непрофессионализма оператора. Цель покэ-ёка - соз-
дание способов защиты от непреднамеренных ошибок.
Перечень типичных действий операторов, приводящих к появлению дефектов,
представлен в табл. 6.6.
Таблица 6.6
Типичные действия операторов, приводящих к появлению дефектов
Причины ошибок \ операторов Дефекты Саботаж Непонимание Забывчивость Неправильная идентификация Недостаток опыта Игнорирование правил выполнения работ Небрежность Медлительность Отсутствие контроля Незнакомый вид работ
Невыполненная операция • О • О О О • О О
Ошибки в процессе • • О о • • • • •
Ошибки при сборке О О • о О • о О
Пропущены детали при сборке • О О о О • О
Использованы не те детали • • • • • • • •
В процессе используется не то изделие о • • о • • О
Пропущенная операция О О и 9
Ошибки при регулировке и монтаже О О О • О • О о О и
Неверно установлено оборудование о • •
Использованы неподходящие методики и инструменты О • я
Условные обозначения: • - сильная корреляция; о - коррСЛиЦИЯ,
Метод покэ-ёка базируется на семи принципах:
164
- для создания эффективных процессов используйте робастное проектирование
(подход к проектированию изделия или процесса, который заключается в уменьше-
нии разбросов выходных характеристик путем использования таких методов проек-
тирования, которые уменьшают чувствительность к источникам разбросов);
- работайте в командах: только так можно максимально полно использовать
знания сотрудников;
- устраняйте ошибки, также используя робастное проектирование: это позволит
приблизить число ошибок к нулю;
- устраняйте коренные причины появления дефектов, применяя метод «5 Why»
(«Пять почему»);
- действуйте сразу, используйте все возможные ресурсы;
- устраняйте деятельность, не добавляющую ценность;
- внедряйте улучшения и сразу задумывайтесь над дальнейшими улучшениями.
Применяя метод покэ-ёка, не полагаются на то, что операторы сами найдут
ошибку. Поэтому при выполнении работ используются сенсорные датчики и другие
устройства. Это помогает эффективно выявлять дефекты, пропущенные оператора-
ми.
Метод покэ-ёка следует применять как при входном контроле, так и в ходе
всего процесса. Эффект от его внедрения зависит от того, на каком именно этапе
процесса - входном контроле или контроле в ходе процесса - этот метод был ис-
пользован. При этом, если несоответствия были выявлены, поступают предупреж-
дающие сигналы или даже оборудование может быть остановлено.
Внедрение метода покэ-ёка при входном контроле называют проактивным
подходом. Выявление ошибки в таком случае произойдет до того, как были совер-
шены те или иные операции.
Подход, при котором метод покэ-ёка применяется на других этапах производ-
ственного процесса, называют реактивным. В данном случае этот метод использует-
ся:
- сразу по завершении процесса;
- в ходе выполнения работ оператором;
- в процессе передачи изделия на следующий этап.
Реактивный подход является эффективным, т. к. его применение способствует
предотвращению передачи бракованных изделий на следующий этап процесса, но,
тем не менее, не позволяет достичь столь высокой степени защиты от ошибок, как в
случае с проактивным подходом. Применение метода покэ-ёка в процессе поиска
причин возникновения дефектов не дает высоких результатов, но в то же время он
гораздо эффективнее выборочного контроля.
Существуют другие подходы к использованию метода покэ-ёка: контроли-
рующий и предупреждающий. При контролирующем подходе, если выявляется де-
165
фект, происходит автоматическая остановка оборудования. Предупреждающий под-
ход основывается на применении всевозможных сигнальных средств (световые и
звуковые сигналы), которые сообщают оператору о возможной ошибке. Остановка
оборудования часто не входит в опции предупреждающего подхода.
Устройства, применяемые в покэ-ёка, по методу, лежащему в основе их рабо-
ты, подразделяются на:
- контактные;
- считывающие;
- последовательного движения.
Все три типа устройств могут быть использованы как при контролирующем
подходе, так и при предупреждающем.
Принцип работы устройств контактного метода основан на определении того,
контактирует ли чувствительный элемент с проверяемым объектом. Примером та-
ких устройств могут служить концевые выключатели. Если контакт нарушается, то
срабатывает, например, звуковой сигнал.
Также к устройствам, работающим по контактному методу, относят передат-
чики и приемники, фотоэлектрические выключатели, пьезоэлектрические датчики и
др. Устройства не обязательно должны быть высокотехнологичными. Простые пас-
сивные устройства иногда являются самыми лучшими. Они не позволяют детали за-
нять неправильное положение в ходе процесса.
Считывающие устройства применяются, когда существуют фиксированное
число операций в процессе и фиксированное число деталей в изделии. Датчик не-
сколько раз просчитывает детали и пропускает изделие на следующий процесс
только в том случае, если число деталей верно.
Третий тип устройств - датчики, определяющие, выполнена ли операция про-
цесса. Если операция не выполнена или выполнена неверно, то датчик сигнализиру-
ет, что следует остановить оборудование. По такому принципу работают многие
сенсорные и фотоэлектрические устройства, которые связаны с таймером оборудо-
вания. Применение таких устройств наиболее эффективно, когда в процессе исполь-
зуются много деталей, похожих друг на друга по форме и размеру.
Последовательное применение метода покэ-ёка позволяет значительно сокра-
тить число ошибок, допускаемых операторами, что способствует снижению затрат и
Повышению удовлетворенности потребителей.
6.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СБОРКИ
С технологической точки зрения сборка - один из самых сложных процессов,
и наименьшей мере поддающийся автоматизации. Вопросам механизации и особен-
но автоматизации сборочных операций до сих пор уделяется недостаточно внима-
166
ния. Бытует мнение, что «были бы детали, а собрать всегда можно», т. к. никакого
оборудования для этого в большинстве случаев не требуется, а рука человека по
своей универсальности лучше самого совершенного робота. Даже в массовом про-
изводстве общего машиностроения таких стран, как США и Япония, автоматизиро-
вано только 10...12 % общего объема сборочных работ, в нашей стране - около 6 %.
Сборочные операции могут выполняться сборщиками вручную, средствами
технологически гибкой автоматизации (в том числе с применением промышленных
роботов) и специализированным автоматическим оборудованием.
При сборке вручную налицо такие недостатки, как ограниченная производи-
тельность, утомляемость, некомпетентность и т. д. Однако, пользуясь минимальным
набором ручных инструментов, квалифицированный сборщик может выполнить
любую из сборочных операций. Сегодня только сборка вручную отвечает требова-
ниям мелкосерийного промышленного производства.
Два других варианта отличаются друг от друга стоимостью оборудования, бы-
стродействием, уровнем производственных затрат, длительностью циклов мораль-
ного старения оборудования и возможностью использования его при переходе на
выпуск новых изделий, а также минимальным объемом производства, обеспечи-
вающим эффективность эксплуатации.
Специализированное автоматическое оборудование проектируют и изготавли-
вают для выполнения конкретных сборочных операций и выпуска определенного
изделия крупными сериями. Эти машины представляют собой эффективное средст-
во производства, позволяющее с высокой скоростью и минимальными дополни-
тельными расходами выполнять операции с небольшим числом сборочных узлов.
Такие машины невозможно переналадить для работы со сборочными узлами, отли-
чающимися от тех, для производства которых они были разработаны. Поэтому, ко-
гда надобность в производстве данных конкретных сборочных узлов отпадает, отпа-
дает необходимость и в таком оборудовании. К таким видам технологических ма-
шин относятся, например, роторные и роторно-конвейерные машины, применению
которых в составе автоматических линий и комплексно-автоматизированных произ-
водств в СССР способствовали работы коллектива конструкторского бюро под ру-
ководством акад. Л. Н. Кошкина.
Средства технологически гибкой автоматизации, к которым относятся про-
граммно-управляемые сборочные системы, имеют меньшее быстродействие, чем
специализированное автоматическое оборудование, поскольку они ориентированы
на выполнение не одной конкретной операции, а целого класса сходных операций.
Затраты на их приобретение могут быть выше (как часто случается с промышлен-
ными роботами) по сравнению со специальными автоматическими сборочными ма-
шинами, но длительность использования - больше, а эксплуатационные издержки
меньше. Минимальный объем производства, обеспечивающий эффективность их
эксплуатации, также существенно меньше.
167
Автоматизация отдельных технологических операций, установка сборочных
автоматов на участках, где сохраняются старые технология и организация, не при-
водят к положительным результатам. Опыт создания автоматизированного сбороч-
ного оборудования показывает, что оно может эффективно и надежно функциони-
ровать только в тех случаях, когда совместно решаются конструкторские, техноло-
гические, транспортные, экологические и организационные вопросы.
Комплексный подход при разработке технологического процесса автоматизи-
рованной сборки предполагает определение элементов операций, которые должны
быть автоматизированы, и элементов, которые будут выполнять вручную, а также
необходимости автоматического выполнения контрольных и регулировочных опе-
раций, составление технологического маршрута автоматизированной сборки.
Далее для каждой машины или линии на основе хронометражных или норма-
тивных данных проводят синхронизацию ручных операций между собой и с тактом
работы оборудования, определяют длительность выполнения автоматических опе-
раций, коэффициент загрузки оборудования по позициям и необходимость введения
дублерных позиций, решают вопросы подачи деталей к оборудованию и удаления
собранных изделий. Намечают объем сокращения ручного труда, снижение трудо-
емкости, число высвобождаемых рабочих, ожидаемые затраты на создание и вне-
дрение оборудования, затраты, связанные с изменением изделия, определяют эко-
номический эффект.
При эскизном и рабочем конструировании оборудования проводят необходи-
мые эксперименты, определяют надежность работы принятых ориентирующих и
Подающих устройств, уточняют соответствие создаваемых конструкций требовани-
ям производительности, безопасности, экологии.
При определении путей автоматизации сборочных операций важное значение
Имеют конструктивные особенности деталей и виды их сопряжений, габаритные
размеры и масса.
Для определения проблем, возникающих при автоматизации сборочных про-
цессов, проводят анализ структуры сборочной операции. При выполнении оборон-
ной операции вручную вопросов, связанных с необходимостью базирования деталей
II их ориентирования, как правило, не возникает, т. к. все их делает рука человека.
11оэтому переходы сборочной операции записывают в технологической карте почти
НСОГда одинаково: «Взять и установить деталь; закрепить деталь» и т. д.
При автоматическом выполнении сборочной операции различные ее переходы
пНычно выполняются разными механизмами, предназначенными для выполнения
nijibKO конкретного перехода. Поэтому автоматическую сборочную операцию сле-
дует четко дифференцировать на переходы.
Автоматическая сборочная операция, как правило, включает следующие пере-
»цды:
168
1) накопление деталей с помощью различных накопительных устройств (бун-
керов, магазинов, кассет и т. д.);
2) первичное ориентирование - выполняется или непосредственно в бункер-
ном устройстве, или при выдаче из него, или при загрузке деталей в магазин;
3) питание, передача деталей от накопительного устройства к сборочному с
помощью различных транспортеров, лотков, склизов;
4) отсекание нужного количества деталей с помощью различных отсекающих
механизмов;
5) вторичное ориентирование деталей - выполняется, если не удается сориен-
тировать деталь в бункерном устройстве или магазине, или она теряет ориентацию
при передаче ее от накопительного устройства к сборочному (ориентирование по
уступу, проточке, фаске, лыске и т. п.);
6) подача детали в зону сборки с помощью автооператоров, манипуляторов,
досылателей и т. п.;
7) контроль поступления детали в зону сборки;
8) взаимное ориентирование деталей по сопрягаемым поверхностям для обес-
печения условий собираемости деталей;
9) контроль правильности взаимного ориентирования деталей;
10) соединение деталей с помощью сборочных механизмов и приспособлений;
11) контроль правильности сопряжения деталей;
12) закрепление собранных деталей с помощью гайковертов, раскаток, прес-
сов, сварочных установок и т. п.;
13) контроль правильности сил закрепления деталей, например, сил затяжки;
14) удаление собранного узла из сборочного приспособления и зоны сборки;
15) контроль освобождения зоны сборки для возможности повторения сбо-
рочной операции.
Для выполнения технологических переходов, связанных с накоплением дета-
лей, их первичным и вторичным ориентированием, отсеканием, питанием и подачей
в зону сборки, закреплением собранных деталей и их удалением, разработано боль-
шое количество различных технических средств. По этим направлениям проведены
фундаментальные исследования и для выполнения этих переходов, как правило,
можно выбрать уже известное техническое решение.
Выполнение переходов, связанных с взаимным ориентированием и соедине-
нием собираемых деталей, вызывает значительные трудности.
При сборке собираемые детали должны быть ориентированы относительно
друг друга. И здесь возникают значительные проблемы, обусловленные жесткими
закономерностями собираемости деталей, многообразием поверхностей, по которым
должны сопрягаться детали, широкими диапазонами их размеров и отклонений этих
размеров от номинальных значений. Нередко оказывают влияние на ориентирование
масса собираемых деталей, материалы, из которых они изготовлены, специальные
169
требования к деталям, ограничивающие возможность выполнения на них фасок, за-
ходных направляющих поясков, возможность приложения сил при ориентировании
и так далее, а также то, что известные ориентирующие устройства либо обеспечи-
вают решение какой-то узкой, частной задачи, либо не имеют достаточных техноло-
гических возможностей, либо конструктивно сложны и ненадежны. Решение именно
этих проблем является ключевой задачей при автоматизации сборочных операций.
Конструктивные особенности изделия и входящих в него деталей, их размеры
и масса, серийность и такт выпуска, набор технологических переходов сборочной
операции определяют вид и структуру сборочного оборудования.
Наиболее простым видом сборочного оборудования является механизирован-
ное рабочее место. Переходы, связанные с установкой и ориентированием собирае-
мых деталей, выполняют рабочие вручную, а при выполнении технологических пе-
реходов, связанных с соединением и закреплением деталей, применяют винтоверты
с автоматической подачей винтов из бункеров или магазинов в резьбозавертываю-
щие головки или различные механические или пневматические прессы для запрес-
совки, расклепывания или развальцовки деталей. Механизированные рабочие места
можно объединять в поточные сборочные линии, связывая их между собой или со
складом ленточными или подвесными конвейерами с многополочными подвесками.
При создании автоматизированного сборочного оборудования возникает ряд
трудностей, среди которых нетехнологичность конструкции изделия и входящих в
него деталей с точки зрения автоматической сборки, нестабильность размеров по-
ступающих на сборку деталей. Уменьшить влияние этих неблагоприятных факторов
позволяет использование сборочного оборудования относительно простого вида -
полуавтомата с поворотным столом (рис. 6.8 - 6.10).
Рис. 6.8. Однопозиционный
сборочный автомат
Рис. 6.9. Сборочный полуавтомат
с поворотным столом
170
В этом случае ряд работ, связанных с подачей деталей и выполнением сило-
вых операций (завинчивание, запрессовка, развальцовывание и т. п.), производится
автоматически, а переходы, связанные с установкой деталей, автоматическое ориен-
тирование которых затруднительно, - вручную. Наличие поворотного стола позво-
ляет осуществлять параллельно-последовательное выполнение переходов сборочной
операции, что существенно повышает производительность.
Рис. 6.10. Сборочный автомат с поворотным столом
В связи с существующей тенденцией перехода от массового производства к
серийному, возникла задача создания переналаживаемого или гибкого сборочного
оборудования.
Однако попытки создания переналаживаемых сборочных автоматов натолк-
нулись на ряд труднопреодолимых сложностей. Поэтому переналаживаемые авто-
маты реально удается создавать только для сборки близких по конструкции и разме-
рам изделий, состоящих в основном из деталей, для которых не требуете внесения
изменений в накопительные и питающие механизмы.
Для сборки изделий, состоящих из небольшого числа деталей, можно созда-
вать оборудование, обладающее достаточной гибкостью, на базе использования
промышленных роботов и программируемых манипуляторов. Однако традиционно
принятая схема построения таких сборочных робототехнических комплексов (РТК)
имеет существенные недостатки.
Обычно робот, даже оснащенный адаптивным охватом, брать детали (особен-
но разные) из навала не может. Детали, как правило, должны подаваться в кассетах.
В большинстве случаев эти кассеты загружают на складе вручную, то есть затраты
труда при такой автоматизации практически не снижаются, а только перемещаются
со сборочного участка на склад.
171
Кроме того, обычные сборочные роботы не имеют требуемой точности пози-
ционирования, позволяющей осуществлять сборку точных соединений. Поэтому
возникает необходимость применения в сборочных приспособлениях специальных
ориентирующих устройств, что создает дополнительные трудности при изменении
объекта сборки.
Большинство указанных недостатков устраняет изменение схемы построения
сборочного РТК. Сборку можно осуществить непосредственно в руке робота, в ко-
торой вместо схвата расположено ориентирующе-сборочное приспособление, пере-
мещаемое по заданной программе (в соответствии с технологической последова-
тельностью сборочной операции) между питающими и исполнительными механиз-
мами. При этом робот становится сборочной машиной (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Сборочный робото-технический комплекс - гибкая сборочная машина
(а - вид спереди; б - вид сверху): 1 - промышленный робот; 2 - ориентирующе-сборочное
приспособление; 3 - питающие механизмы; 4 - силовые исполнительные механизмы; 5 - сменные
ориентирующе-сборочные приспособления; 6 - транспортная система с кассетами для базовых
деталей и собранных изделий
Питающие и исполнительные механизмы, обеспечивающие возможность
сборки нескольких разных изделий, располагают вокруг робота в любой последова-
гольности (произвольно). Робот, несущий в своей руке ориентирующе-сборочное
приспособление, в соответствии с заданной программой выбирает необходимые для
Сборки того или иного изделия точки позиционирования, в которых осуществляется
ПОдача деталей либо выполняются какие-нибудь другие технологические переходы
Иопинчивание, расклепывание, смазка, контроль и т. п.).
Ориентирующе-сборочное приспособление, расположенное в руке робота,
обеспечивает ориентирование поступающих в него деталей или может самоориен-
Шроваться относительно загрузочных или силовых исполнительных механизмов,
Y12
поэтому высокая точность позиционирования руки робота не требуется, что позво-
ляет использовать для сборки относительно недорогие роботы.
Комплекс дает возможность автоматизировать сборку даже при относительно
небольших сериях выпуска изделий, т. к. времени на переналадку практически не
требуется. Изменение программы перемещения руки робота и замена в его руке
ориентирующе-сборочного приспособления происходят автоматически по команде
из центра управления. Такие комплексы можно объединять в гибкие сборочные уча-
стки. При этом роботы имеют возможность передавать ориентирующе-сборочные
приспособления один другому, что значительно расширяет номенклатуру собирае-
мых деталей и используемых силовых исполнительных механизмов. Это обеспечи-
вает высокую технологическую гибкость.
При сборке сложных узлов с большим числом деталей и базовой деталью,
имеющей значительные габариты и массу, автоматизировать сборку путем исполь-
зования автоматов с поворотными столами или автономных РТК не представляется
возможным. В этих случаях создают автоматизированные сборочные линии.
Такт работы синхронной линии определяется готовностью на всех позициях,
то есть перемещение собираемых изделий на шаг происходит только после того, как
каждый рабочий закончит весь набор переходов и нажмет на кнопку готовности
(рис. 6.12). Длительность выполнения ручных операций из-за субъективного чело-
веческого фактора значительно различается, поэтому такт работы линии не может
быть жестким, его определяет самое «худшее» в этом цикле рабочее место.
Рис. 6.12. Схема автоматизированной сборочной линии с жестким тактом:
1 - синхронный транспортер; 2 - автоматические позиции; 3 - ручные позиции;
4 - спутник с собираемыми деталями
Избавиться в какой-то степени от этого недостатка и влияния микроотказов
оборудования позволило создание сборочных линий с несинхронным транспортом,
микрозаделами перед ручными сборочными позициями и свободными зонами после
каждой позиции (рис. 6.13). Это позволило в результате усреднения потерь повы-
сить производительность на 10...15 %.
Создание микрозаделов перед позициями потребовало изменения конструк-
ции транспортных устройств для перемещения собираемых изделий. На смену пе-
риодически включаемым механизмам шагового перемещения пришли механизмы
для непрерывного перемещения без жесткой кинематической связи между ними и
173
собираемыми изделиями или спутниками, на которых они собираются, что позволи-
ло останавливать изделия или спутники перед позициями без остановки транспорт-
ного устройства.
Рис. 6.13. Схема автоматизированной сборочной линии с гибким тактом: 1 - несинхронный
транспортер; 2 - автоматические позиции; 3 - ручные позиции; 4 - зона накопления задела;
5 - свободная зона; 6 - спутник с собираемыми деталями.
Несинхронные сборочные линии, несмотря на значительные их преимущества
Но сравнению с линиями с жестким тактом, не решили ряд проблем. Если возни-
Кшощие отказы соизмеримы с тактом линии, то микрозаделы истощаются быстрее,
•юм удается устранить отказ, и тогда линия останавливается. В несинхронных лини-
11 х сложно решаются случаи, когда длительность какой-либо операции, не поддаю-
щейся дифференциации, превышает такт, рассчитанный из условий необходимой
производительности. Введение при этом дублирующих позиций конструктивно
Сложно.
Возникают проблемы и в тех случаях, когда длительность ручной операции
Икгчительно меньше такта. Если перед ручной позицией и после нее имеются авто-
матические позиции, то догрузить рабочего сложно. Сделать это путем изменения
последовательности сборки удается редко. Поэтому приходится или мириться с тем,
ОТО рабочий будет значительно недогружен, что резко снижает эффективность ли-
нии, или, чтобы догрузить рабочего, приходится не автоматизировать даже легко ав-
Юматизируемые предыдущие или последующие переходы сборочной операции.
Избавиться от этих недостатков позволило создание других компоновочных
решений автоматизированных сборочных линий, транспортные системы которых
i остоят из основной ветви, по которой в любой последовательности движутся спут-
ники с собираемыми изделиями, и параллельных ей дополнительных ветвей, на ко-
I iipi.ix расположены станции для выполнения технологических операций (рис. 6.14).
Транспортная система линии - горизонтально-замкнутая. Для изменения на-
прйнления движения спутника на транспортной системе имеются поворотные сек-
ции. Применение поворотных секций обеспечивает движение спутника всегда одной
II гой же стороной вперед, что упрощает конструкцию станций и устройств системы
Индирования спутников.
Спутники, находящиеся на основной ветви транспортной системы, в каждый
МОМОНТ закодированы кодом следующей операции, они осуществляют передачу со-
174
бираемых изделий в заданной последовательности между технологическими стан-
циями, а также являются носителями межоперационных заделов.
Рис. 6.14. Гибкая транспортная система сборочной линии; 1 - модуль транспортной
системы с технологической станцией и секциями передачи спутников между
основной и дополнительной транспортными ветвями; 2 - поворотная секция;
3 - спутник с собираемыми изделиями
Система кодирования имеет программоноситель на каждом спутнике, считы-
вающие устройства на транспортной системе и устройства для перекодирования на
технологических станциях. Перекодирование спутника происходит одновременно с
его фиксацией на технологической станции. При этом спутник получает код, соот-
ветствующий адресу следующей операции.
Транспортная система линии выполнена по модульному принципу. Техноло-
гические станции в линии могут располагаться в любой последовательности. Про-
должительность выполнения операции на той или иной станции также может быть
любой. Если она больше такта работы линии, то вводятся дублирующие станции,
расположение которых в линии также не регламентируется последовательностью
выполнения технологических операций. Если продолжительность выполнения опе-
рации меньше такта, то на одной и той же станции могут выполняться технологиче-
ски непоследовательные операции. При этом спутник будет заходить на одну и ту
же станцию несколько раз на разных стадиях технологического процесса сборки.
Конструкция транспортной системы и значительный объем памяти програм-
моносителя спутника позволяют собирать на таких линиях одновременно несколько
различных изделий, состыковать линии с другими подобными, передавать спутники
с одной линии на другую, образовывая гибкие автоматизированные производства.
Дальнейшее развитие этой несинхронной модульной транспортной системы
привело к объединению модулей в функциональные блоки. Выявились два основ-
ных блока-модуля: технологическая станция и станция передачи спутников между
основной и дополнительной ветвями транспортной системы. Эти модули являются
полностью автономными, каждый имеет свои станину и систему управления, вклю-
чаемую поступающим на станцию спутником с соответствующим кодом.
175
Технологическая станция (рис. 6.15) имеет расположенные на общей станине
секцию основной транспортной системы 1 для перемещения по ней транзитных
спутников и секцию дополнительной ветви транспортной системы 2. На этой секции
размещены механизмы для фиксации и перекодирования спутников и остановы для
остановки спутника перед технологической позицией и на технологической пози-
ции, а также базирующие элементы для установки различных технологических ис-
полнительных ориентирующих, силовых, контрольно-испытательных или каких-
либо других устройств.
Станция передачи спутников между основной и дополнительной ветвями
транспортной системы (рис. 6.16) имеет посередине сдвижную каретку 1, переме-
щаемую между основной и дополнительной транспортными ветвями. На секциях
основной 2 и дополнительной 3 ветвей имеются устройства для считывания кода
спутника 4 и остановы для остановки спутника перед кареткой.
Рис. 6.15. Технологическая станция:
1 - секция основной ветви транспортной сис-
темы; 2 - секция дополнительной ветви транс-
портной системы; 3 - устройство для базирова-
ния и фиксации спутника; 4 - устройство для
перекодирования спутника; 5 - остановы для
спутников; 6 - базирующие элементы для тех-
нологических исполнительных механизмов
Рис. 6.16. Станция передачи спутников
между основной и дополнительной
ветвями транспортной системы
Секция дополнительной ветви слева от каретки предназначена для приема
спутника, выдаваемого с технологической станции, расположенной перед станцией
передачи спутников. Находящееся на этой секции считывающее устройство опреде-
ляет, передать ли спутник на соседнюю технологическую станцию (в случае их га-
рантированно технологически последовательного расположения) или на основную
ветвь (если технологическая операция выполняется не на соседней станции или если
на этой станции задел полный и места для приема еще одного спутника нет).
176
Таким образом, эта станция (рис. 6.17) осуществляет транзитное перемещение
спутника по основной ветви транспортной системы (рис. 6.17, а), пропуск спутника
по дополнительной ветви от одной технологической станции к расположенной по
соседству другой (рис. 6.17, б), передачу спутников с основной ветви на дополни-
тельную (рис. 6.17, б), передачу спутника с дополнительной ветви на основную
(рис. 6.17, г).
бег
Рис. 6.17. Схемы работы станции передачи спутников: а - транзитное движение спутника по
основной ветви транспортной системы; б - движение спутника по дополнительной ветви
транспортной системы от одной к другой рядом расположенной технологической станции;
в- передача спутника с основной ветви транспортной системы на дополнительную;
г- передача спутника с дополнительной ветви транспортной системы на основную
В качестве дополнительных блок-модулей в транспортную систему могут
быть включены станции для изменения направления движения спутников с пово-
ротной кареткой и промежуточные станции, устанавливаемые между рядом распо-
ложенными технологическими станциями, предназначенные для удобства работы на
них или для их обслуживания.
Конструкция транспортных систем и систем управления этих линий достигла
высокой степени унификации. Любая транспортная система с любой степенью гиб-
кости может быть собрана из нескольких типовых элементов. Каждая позиция ли-
нии и элемент транспортной системы снабжены автономной системой управления,
Эти элементы могут многократно использоваться при перекомпоновках линий.
Созданные сборочные системы не только позволяют одновременно осуществ-
лять сборку нескольких изделий, но и дают возможность осуществлять поэтапный
запуск изделия в производство. Любое новое изделие можно начинать собирать в
ручном режиме сразу на резервных позициях, не прекращая сборку действующего
изделия, а потом по мере роста объема выпуска постепенно включать различные ав-
томатические позиции. Это также позволяет не прекращать сборку изделия при не-
обходимости ремонта механизмов на какой-либо позиции. В этом случае код этой
позиции включается на резервной позиции, и эти операции можно выполнять вруч-
ную, пока ведутся ремонтные работы.
Одновременно с совершенствованием структуры сборочных линий и повыше-
нием их гибкости изменялась и технология автоматической сборки. В первых сбо-
177
рочных линиях автоматически выполнялись, как правило, только силовые операции,
в основном завинчивание предварительно наживленных резьбовых деталей. В по-
следующих линиях область автоматической сборки непрерывно расширялась благо-
даря внедрению новых технологий. Появились позиции автоматической смазки по-
верхностей, позиции контроля и испытания изделия без съема его со спутника; ши-
рокое применение нашли пневмовихревые методы для ориентирования собираемых
деталей, в первую очередь для наживления резьбовых деталей и деталей без фасок;
появились позиции лазерной сварки, лазерного клеймения, промывки, обкатки соб-
ранного изделия и др.
Все это позволяет сегодня осуществлять сборку различных простых и слож-
ных, высокоточных и «деликатных» изделий при различных объемах выпуска по
гибкой технологии с использованием новых технологий сборки.
6.4.1. Особенности автоматизация сборочных операций в
АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ
Если в общем машиностроении уровень автоматизации сборочных операций
невысок, то в авиационном двигателестроении он вообще близок к нулю.
Столь низкий уровень автоматизации сборочных процессов в авиационном
двигателестроении обусловлен многими объективными причинами. Наиболее зна-
чимыми из них являются следующие:
- необходимость сложной пространственной ориентации собираемых деталей
для обеспечения требуемой точности их относительного положения в изделии, что
вызывает многообразие рабочих движений и приемов;
- большое разнообразие кинематических и динамических связей в сборочном
процессе, обусловленное сложностью конструкции изделия;
- требования гибкости, которые предъявляются широтой номенклатуры и малой
серийностью основной продукции авиационного двигателестроения, - такие требо-
вания либо вообще невозможно реализовать, либо выполнение их связано со столь
значительными материальными затратами, что они ставят под сомнение саму целе-
сообразность проведения подобной автоматизации;
- отсутствие высокопроизводительного, надежного и достаточно гибкого сбо-
рочного оборудования и опыта его применения;
- нетехнологичность большинства конструкций изделий авиадвигателестроения
даже для ручной сборки, а тем более для условий автоматизированного производст-
ва;
- экономически достижимое, а во многих случаях и вообще достижимое в се-
рийном производстве, качество изготовления деталей не позволяет избежать ручной
пригонки или индивидуального подбора их при сборке и не дает возможности ис-
178
пользовать необходимые для осуществления автоматизации принципы взаимозаме-
няемости;
- уменьшение в условиях автоматизированного производства доли ручных ра-
бот не столько уменьшает влияние субъективных факторов на качество сборки из-
делия, сколько полностью исключает всякую возможность для компенсации испол-
нителем погрешностей изготовления деталей, выходящих за пределы допуска и воз-
никающих от действия случайных факторов;
- высокая стоимость технических средств автоматизации и низкая стоимость
рабочей силы;
- недостаточная изученность многих явлений, связанных с осуществлением
сборочных процессов.
Однако, несмотря на все перечисленные выше объективные причины, автома-
тизация является насущной и актуальной проблемой любой отрасли производства, в
том числе и авиадвигателестроения. При этом на современном этапе речь может ид-
ти и о частичной автоматизации, например об автоматизации операции комплекта-
ции перед сборкой.
Большая доля ручных сборочных работ в авиадвигателестроении в немалой
степени объясняется большой сложностью их автоматизации, которая связана с не-
сколькими объективными факторами.
1. Многообразие возможных соединений и условий сборки, значительно за-
трудняющее создание универсального сборочного оборудования приемлемой стои-
мости.
2. Необходимость в сложной пространственной ориентации собираемых дета-
лей для обеспечения требуемой точности их относительного положения в изделии.
3. Противоречивые требования серийного многономенклатурного производст-
ва и традиционных подходов к проектированию автоматизированного сборочного
оборудования часто разрешаются при весьма значительных материальных затратах,
ставящих под сомнение целесообразность подобной автоматизации.
4. Несоответствие конструкции изделия специфическим требованиям автома-
тизированного производства в целом и автоматизированной сборки в частности.
В мире имеются лишь отдельные примеры удачной автоматизации в этой об-
ласти. Это объясняется тем, что наряду со сложностями, характерными для массово-
го производства изделий, при автоматизации серийной сборки возникают дополни-
тельные материальные затраты на создание средств программирования, составление
программ, переналадку и значительные затраты времени при переходе на сборку
даже однотипных изделий. Так, для сборки простых изделий на сборочной машине
«Сигма» фирмы «Оливетти» (Италия) затраты времени на переналадку составляют
6...8 ч, а на установку одной детали вручную - 3...6 с. Поэтому целесообразность
использования этих машин для серийных производств проблематична.
179
Значительные затраты времени на переналадку автоматического сборочного
оборудования и технологической оснастки вызваны сложностью обеспечения высо-
кой точности всех составляющих звеньев проектируемой технологической системы,
необходимой для установки соединяемых деталей разных форм и размеров, их ори-
ентирования и подачи.
Решение проблемы автоматизации сборки изделий в серийном производстве
возможно на базе создания универсальной типовой технологической оснастки,
обеспечивающей высокую производительность автоматических сборочных систем
при минимальных затратах на их создание. Это возможно, если сборочные устрой-
ства и транспортные средства имеют простое конструктивное исполнение и не тре-
буют высокой точности изготовления. Адаптивное управление, при котором полу-
чение информации осуществляется непосредственно от соединяемых деталей соби-
раемого изделия, исключает затраты средств на создание и эксплуатацию про-
граммных устройств, не требует затрат времени на переналадку оборудования.
6.4.2. Специфические требования к деталям в условиях
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ
Уменьшение в условиях автоматизированного производства доли ручных ра-
бот не только уменьшает влияние субъективных факторов на качество изготовления
изделия, но и исключает возможность компенсации исполнителем погрешностей,
выходящих за пределы допуска и возникающих от действия случайных факторов.
Технологические возможности автоматического сборочного оборудования мо-
гут быть существенно расширены, если на этапе проектирования изделия использо-
вать общие правила и рекомендации, облегчающие сборку изделий.
К технологичности сборочной единицы предъявляют следующие требования:
- возможность расчленения с учетом принципа агрегатирования;
- обеспечение возможности компоновки из унифицированных частей;
- наличие базовой составной части, которая является основой для расположения
остальных составных частей;
- обеспечение общей сборки без повторных сборок составных частей.
Расчленение конструкции изделия на самостоятельные сборочные единицы
почти всегда приводит к увеличению трудоемкости ее изготовления, но при этом
Сокращается продолжительность изготовления за счет параллельной сборки отдель-
ных сборочных единиц. Расчленение изделия на составные части в основном обес-
печивается наличием в его конструкции разъемов по присоединительным поверхно-
стям.
Поскольку в производстве основная доля трудовых затрат обычно приходится
ltd окончательную сборку, следует стремиться организовать сборочный процесс и,
следовательно, сконструировать изделия таким образом, чтобы получить как можно
180
больше узлов для предварительной сборки, т. к. автоматизировать сборку неболь-
ших узлов проще, чем всего изделия.
Рекомендуется придерживаться нижеследующих правил:
- формирование базового узла, способного служить основой для всех узлов;
- в узле должно быть минимальное число соединений с другими узлами;
- каждый узел должен обеспечить возможность его автономного контроля;
- соединения между узлами должны быть как можно более короткими;
- уникальные узлы не должны объединяться с унифицированными;
- не должны объединяться узлы с разными характеристиками износа;
- использование в конструкции изделия максимального числа стандартных и
унифицированных деталей;
- ограничения по использованию разнообразия материалов, резьб, шлицевых и
шпоночных соединений, модулей зубчатых колес, диаметров отверстий и др.
Одно из важнейших требований к технологичности изделия - наличие в нем
базовой детали, которая должна обладать устойчивостью и способностью к штабе-
лированию. При массе более 20 кг изделие должно иметь конструктивные элементы
для удобства захвата с помощью грузоподъемных средств, а в условиях автоматизи-
рованного производства такие элементы должны быть у всех собираемых деталей.
Общеизвестно, что наиболее просто автоматизировать сборочные процессы,
основанные на принципе полной взаимозаменяемости. Поэтому следует избегать
многозвенных цепей, которые сужают допуски на размеры составляющих звеньев.
Сокращения числа деталей добиваются объединением нескольких деталей в одну
или исключением некоторых деталей.
При переходе от ручной сборки к автоматической необходимо проанализиро-
вать, какие операции можно и нужно автоматизировать. Разрабатывая конструкцию
изделия, необходимо стремиться обеспечить его сборку с минимального числа на-
правлений. Наилучшим в этом случае будет то изделие, сборка которого осуществ-
ляется с одного направления, и лучше всего сверху вниз. Кроме того, в конструкцию
сборочной единицы необходимо заложить кинематическое замыкание в собранном
виде. Сборка кинематически разомкнутых сборочных единиц вызывает серьезные
трудности. Для устранения подобного недостатка используют временные связи,
фальшдетали, специальные магазины.
Для автоматической сборки особое место имеет обеспечение доступа к местам
соединений сборочных и контрольных инструментов. Степень сложности и точ-
ность обработки сопрягаемых поверхностей должны соответствовать кинематиче-
ским и динамическим возможностям автоматического сборочного оборудования.
Детали на сборку могут поступать неупорядоченными и требуются специаль-
ные ориентирующие устройства. Ориентирование деталей существенно упрощается,
если их упорядочение сохраняется на прохождение всего производственного про-
цесса.
181
6.4.3. Принципы конструирования деталей
В табл. 6.8 приведен перечень принципов конструирования деталей с учетом
требований автоматизированной сборки производства и приведены рекомендации,
соблюдение которых позволит выполнить соответствующий принцип. При ориента-
ции деталей и транспортировке к сборочной позиции с помощью промышленных
роботов возникают дополнительные требования к конструкции деталей, обеспечи-
вающей минимизацию номенклатуры захватных устройств, применение широко-
диапазонных захватов. Конструктор должен хотя бы в самом общем виде представ-
лять разновидности существующих захватных устройств и их возможности.
Таблица 6.8
Принципы конструирования деталей
Принцип Рекомендации (правила)
1. Расположенные нава- лом изделия не должны сцепляться, слипаться, западать друг в друга и т. п. 1. Сцепление деталей устраняется благодаря уступчатому исполнению зазора. 2. Западание деталей друг в друга исключается благодаря наличию выступа внутри конуса. 3. Пружины с плотной навивкой не сцепляются. 4. Размеры выступов и впадин должны различаться. 5. Пружины с обжатыми концами сцепляются хуже. 6. Цилиндрические пробки не западают друг в друга
2. Изделия должны обеспечивать экономию пространства при их хранении (магазин для штабелирования) 1. Изменение формы деталей обеспечивает экономию места при мага- зировании. 2. Листовые профили и изогнутые детали должны обеспечивать хоро- шее штабелирование
3. Изделия должны об- ладать явно выражен- ной симметрией 1. Увеличение симметрии зубчатого колеса. 2. Симметричная форма облегчает ориентирование. 3. Многошлицевые профили облегчают сборку. 4. Подпись с обеих сторон упрощает ориентирование. 5. Сквозная вставка увеличивает симметрию. 6. Изменение расположения отверстий упрощает ориентирование. 7. Симметрия валов упрощает ориентирование. 8. Следует избавляться от признаков, ненеобходимых безусловно. 9. Симметрия облегчает манипулирование. 10. Ориентирование упрощается при центральном расположении штифтов. 11. Избегать зеркального отображения деталей. 12. Наличие фасок с обеих сторон звена упрощает ориентирование
4. Обусловленная необ- ходимостью асиммет- рия должна быть явно ПЫраженной, при этом расположенные нава- лом изделия не должны отепляться друг с дру- гом 1. Разные отверстия иногда оказываются полезными. 2. При явной асимметрии не нужен дополнительный контроль поло- жения. 3. Явная асимметрия улучшает ориентирование. 4. Длина и диаметр не должны быть равны. 5. Дополнительный признак асимметрии упрощает ориентирование
182
Окончание табл. 6.8
Принцип Рекомендации (правила)
5. Профиль должен быть более распозна- ваемым 1. Ориентировать по наружному контуру проще. 2. Дополнительное отличие на внешнем контуре облегчает ориентиро- вание. 3. Полированная поверхность должна иметь дополнительное отличие (например - наличие фаски). 4. Дополнительное отличие у биметаллических деталей облегчает ори- ентирование. 5. Дополнительный признак облегчает ориентирование. 6. Лыска облегчает ориентирование. 7. Буртик облегчает ориентирование в вибробункере. 8. Дополнительный признак увеличивает распознаваемость
6. Форма изделия должна обеспечивать наилучшее переме- щение его по лотку 1. Фрикционные шайбы лучше, чем пружинные. 2. Распорная пружина выполнена катящейся. 3. Цилиндрические выступы приводят к заклиниванию. 4. Полая штампованная заглушка имеет благоприятное расположение центра тяжести. 5. Форма конических деталей должна препятствовать набеганию их друг на друга. 6. Устойчивость и способность к скольжению улучшаются за счет из- менения соотношения размеров. 7. Явно выраженные устойчивые поверхности облегчают манипулиро- вание. 8. Дополнительные плечики обеспечивают зависимость. 9. Выступающие надписи мешают скольжению, их следует заглублять. 10. Цилиндрическая форма облегчает манипулирование (способность к качению). 11. Изменение формы торцев предотвращает набегание деталей. 12. Опорные поверхности должны быть четко выраженными. 13. Увеличение числа зубьев способствует лучшей перскатываемосги
При конструировании сопряжения деталей обычно рассматривается вопрос
возможности их соединения и гораздо меньше уделяется внимание облегчению
процесса сопряжения:
- базовая деталь должна фиксироваться таким образом, чтобы сила при сборке
не изменяла ее положения;
- обеспечение единообразия применяемой сборочной технологической оснаст-
ки;
- наличие кинематического замыкания соединяемых деталей;
- отсутствие необходимости поддерживать сопрягаемые детали во время при-
соединения;
- минимизация длины необходимого хода исполнительного органа;
- наличие заходных фасок, центрирующих буртиков и др.
183
Необходимо исключить из автоматического сборочного процесса установку
легко деформируемых деталей. Например, гибкие резиновые уплотнения следует
заменить специальными уплотнительными пастами.
Изложенные принципы конструирования деталей для автоматической или ав-
томатизированной сборки должны быть использованы еще при конструировании
новых изделий.
6.4.4. Особенности сборки резьбовых соединений
Осевая сила, создаваемая затяжкой гайки, вызывает деформации соединяемых
деталей и в связи с этим в значительной степени влияет на качество сборки изделия.
Существует несколько способов контроля осевой силы, создаваемой затяжкой гай-
ки.
1. Затяжка с контролем величины крутящего момента на гайке. Такой способ
осуществляется с помощью предельных или динамометрических ключей, которые
позволяют обеспечивать необходимый для создания заданной осевой силы момент
затяжки.
2. Затяжка с контролем угла поворота гайки. Сначала с помощью обычного
ключа гайка затягивается предварительно с целью обмятая микронеровностей на
контактных поверхностях, после чего отвертывается на 1 - 2 оборота и вновь навер-
тывается от руки до плотного соприкосновения с опорной поверхностью. Затем гай-
ка затягивается ключом на заданный угол. Для контроля угла поворота ключ снаб-
жается указательной стрелкой, а на поверхность соединяемых деталей устанавлива-
ется шкала с делениями в угловых единицах.
3. Затяжка с контролем удлинения вала. Осуществляется обычным способом,
но при этом контролируется величина удлинения вала, по которой и судят о величи-
не возникающей осевой силы.
4. Затяжка с контролем удлинения вала относительно тарированного штифта.
Является разновидностью предыдущего способа, но здесь измеряется величина уд-
линения вала относительно торца специального штифта, длина которого остается
неизменной.
5. Затяжка с контролем осевой силы.
6. Затяжка с контролем деформации тарированной шайбы. Величина осевой
Силы определяется здесь по величине деформации комплекта дополнительных тари-
рованных шайб.
При сборке роторов ГТД наиболее распространена затяжка гаек с контролем
величины крутящего момента, поскольку этот способ производителен, прост и дает
возможность механизировать процесс затяжки. Кроме того, сила, создаваемая при
такой затяжке, не зависит от длины резьбового соединения.
184
Необходимый момент затяжки в этом случае может быть выражен в виде
суммы трех составляющих моментов:
Л/ = Л/1 + Л/ 2 4- Л/ j,
где М\ - момент, необходимый для создания осевых растягивающих напряжений
вала; М2 - момент трения в резьбе; Мт, - момент трения по торцу гайки.
Сумма моментов М\ + Мг определяется по следующей зависимости:
М,+М,~Р.
1 £ с
где d2 - средний диаметр резьбы; Рг - осевая сила, возникающая при затяжке гайки;
Ph - шаг резьбы; f'r - приведенный коэффициент трения в резьбе, определяемый по
формуле:
f'r
cos “/2
где fr - коэффициент трения для плоских трущихся поверхностей; а - угол профи-
ля резьбы.
Момент трения по торцу гайки можно определить по формуле
где X ~ коэффициент трения по торцу гайки; Rt - средний радиус трения торцевой
поверхности гайки.
Можно принять, что
D, +d.
где Dt и dt- диаметры окружностей, ограничивающих площадь опорной поверхно-
сти гайки.
Используя приведенные выше зависимости, величину осевой силы, возни-
кающей при затяжке гаек на концах вала в этом случае, можно определить по сле-
дующей формуле
^2
*2
' рк > fr \л(д,+л)
2 COS а/~
к /27
(бл:
185
Как показывают исследования, зависимость Рг = f (М ) не является доста-
точно устойчивой, что приводит к появлению погрешности осевой силы до 25 %.
Это объясняется главным образом большим рассеиванием значений коэффициентов
трения, которые в резьбовых соединениях реальных роторов могут изменяться в
достаточно широких пределах. Наибольшее влияние на коэффициенты трения ока-
зывают род материала сопрягаемых деталей, шероховатость поверхностей сопряже-
ния, сорт смазки и вид покрытия (при его наличии). Поэтому точность рассматри-
ваемого способа контроля силы затяжки будет зависеть от того, насколько принятые
для расчета коэффициенты трения соответствуют их действительным значениям.
Повысить точность данного способа можно за счет экспериментального определе-
ния коэффициентов трения с учетом всех конструктивно-технологических особен-
ностей конкретного вида ротора и обеспечения стабилизации коэффициентов трения
в узком диапазоне рассеивания.
При затяжке с контролем угла поворота расчетный угол поворота гайки для
обеспечения заданной осевой силы определяется по формуле
1
+--------
Фг =
где i - номер детали в соединении; п - число деталей в соединении;
1 1
2J ~—+“—777 - суммарная осевая жесткость вала и стягиваемых деталей;
l^i\Jvos J SOS V / J
Jvm - осевая жесткость вала;Дм - осевая жесткость дисков по ступице.
Преобразуя приведенную выше формулу, получаем
р =_____
г п ( 1
360IU .
J=1 \ J VOS j SOS
1
Анализ полученной формулы показывает, что функциональная связь
/*, = f (ср г) не зависит от коэффициентов трения в резьбовой паре. Это одно из ос-
новных преимуществ способа контроля силы затяжки по углу поворота. Другим
преимуществом этого способа является простота выполнения операции, поскольку
не требуется специальных ключей.
Однако этот способ также имеет свои специфические погрешности.
1. Погрешность субъективного характера, которая вызывается приближенным
Определением начального углового положения гайки (по субъективному ощущению
Момента плотного соприкосновения гайки с поверхностью детали).
2. Погрешность, вызываемая наличием большой нелинейности на графике за-
висимости силы затяжки от угла поворота гайки в начальный период затяжки. Ос-
186
новными причинами нелинейности являются: упругие контактные деформации в
стыках деталей, деформации деталей вследствие макроотклонений поверхностей
стыков сопрягаемых деталей, деформация отдельных элементов резьбы и другие. В
результате существует некоторый угол фо, при котором поворот гайки не вызывает
силы затяжки. С учетом этого необходимое значение угла поворота гайки
Фз = Фг + Фо-
Величина угла ф0 может достигать 25...30 % от <рг, причем влияние этой по-
грешности значительно возрастает для относительно коротких болтов. На практике
фо обычно определяется экспериментально для каждого конкретного резьбового со-
единения.
3. Погрешность, связанная с приближенными расчетами податливости соеди-
няемых деталей.
Окончательно получаем следующую формулу для определения осевой силы
при затяжке с контролем угла поворота гайки:
р Л(Фж-Фо)
збоЛ-Ь+—±
i=\\Jvos J sos
(6-2)
Повышение точности данного способа затяжки может быть достигнуто путем
повышения точности расчета жесткости, а также экспериментального определения
угла фо и его стабилизации технологическими средствами.
При затяжке с контролем удлинения в процессе затяжки каким-либо способом
измеряется абсолютная или относительная осевая деформация вала. Связь между
удлинением вала и осевой силой затяжки выражается следующей зависимостью:
J VOS
где Alv - величина удлинения вала, контролируемая непосредственно в момент за-
тяжки гайки; j vos - осевая жесткость вала.
Окончательно для затяжки с контролем удлинения вала получаем
Pt=Mjms- (6.3)
Как следует из полученной формулы, на расчетную величину Рг совершенно
не оказывают влияния ни коэффициенты трения, ни жесткость деталей. Благодаря
наличию прямой связи между удлинением вала и силой затяжки данный способ яв-
ляется достаточно точным. Однако при затяжке относительно коротких болтов, по-
грешность способа значительно возрастает из-за малой величины измеряемого уд-
187
линения. Кроме того, увеличивается влияние погрешности расчета осевой жесткости
вала.
При затяжке с контролем осевой силы контролируется непосредственно вели-
чина осевой силы, поэтому этот способ наиболее точен из всех рассмотренных. Од-
нако он же и наиболее сложен для практической реализации в реальных конструк-
циях роторов ГТД. Способ контроля осевой силы по деформации тарированной
шайбы также непосредственно дает величину осевой силы, однако точность в этом
случае зависит от точности изготовления комплекта дополнительных шайб, не иг-
рающих никакой роли в процессе выполнения собранным изделием своего служеб-
ного назначения.
6.4.5. Автоматическая сборка резьбовых соединений
При сборке практически всех изделий широко применяются резьбовые соеди-
нения. Так, в легковом автомобиле среднего класса используется до 2,5...3 тысяч
крепёжных деталей, а в автомобильной промышленности мира ежегодно собирается
6 х 1О10 резьбовых соединений.
На качество процесса автоматизированной сборки резьбовых соединений
влияют следующие факторы:
- качество деталей, входящих в резьбовое соединение;
- технологичность конструкции сборочного узла и его составляющих;
- точность сборочного оборудования;
- условия ориентации (т. к. неправильная ориентация резьбовых деталей приво-
дит к срыву первых витков, что нарушает весь технологический процесс автомати-
ческой сборки);
- условия базирования (критерии собираемости резьбового соединения);
- сила затяжки;
- условия стопорения (изменение конфигурации деталей резьбового соедине-
ния, ввод дополнительных элементов в резьбовое соединение);
- контроль сборочной единицы;
- дополнительные условия, необходимые для конкретного резьбового соедине-
ния.
Для удобства автоматической ориентации детали должны быть по возможно-
сти симметричными. Если точная симметричность формы детали по ее служебному
назначению не может быть достигнута, то такая деталь должна иметь явно выра-
женную асимметрию. Например, шпильки должны, по возможности, иметь резьбо-
йые части одинаковой длины или на одной из них должен быть цилиндрический вы-
ступ.
Одним из неконтролируемых факторов, влияющих на процесс автоматизиро-
ВПнной сборки резьбовых соединений, является возможный срыв резьбы в началь-
188
ный момент свинчивания. Причинами такого срыва могут быть неточное изготовле-
ние элементов резьбовой пары, недостаточно точное относительное ориентирование
собираемых деталей (то есть смещение осей винта и резьбового отверстия гайки),
нарушение технологических условий свинчивания и т. д.
Срыв витков резьбы у болта или гайки в условиях автоматизированной сборки не-
допустим, так как приводит к нарушению темпа сборки изделия. Следовательно, од-
ной из задач автоматизированной сборки резьбовых соединений является разработка
методов оптимального поиска необходимых условий для автоматического ориенти-
рования деталей, обеспечивающих их свинчиваемость без срыва резьбы. На
рис. 6.18 приведена схема алгоритма формирования процесса сборки с использова-
нием резьбового соединения [9]. На схеме цифрами обозначено: 1 - ввод базового
элемента (сборочной единицы, узла); 2 - ввод резьбовых деталей (болт и гайка,
винт, шпилька и гайка); 3 - выбор необходимой резьбовой пары; 4 - выбор вида
сборки; 5 - сборка выполняется с вращающимся вокруг своей оси резьбовым стерж-
невым элементом; 6 - критерий собираемости резьбовых соединений; 7 - проверка
условий собираемости резьбовых соединений; 8 - критерии относительной ориента-
ции резьбовых соединений; 9 - проверка условий собираемости резьбовых деталей;
10 - логические условия дополнительных ограничений на последовательность вы-
полнения операций; 11 - условия выполняются; 12 - проверка условий собираемо-
сти резьбовых соединений; 13 - печать массива результатов; 14 - печать результата
(дальнейшая сборка не осуществляется)
Рис. 6.18. Схема алгоритма формирования процесса сборки изделия
с использованием резьбового соединения
189
При автоматическом выполнении наживления условия собираемости улучша-
ются из-за вращательного движения присоединяемой детали, а также пониженной
жесткости патрона и насадки резьбозавертывающего механизма (рис. 6.19). Эти ус-
ловия используются при реализации блока 7 и имеют вид:
2
дг ^//+бс/2+дг
1
“г <arctg(p-O,57>2 -tg3O° )/(d + d1 +Tdi ),
где Д2 - погрешность положения сопрягаемых резьбовых поверхностей;
2
ХЛ ~ сУмма катетов фасок на торцах резьбовых поверхностей; дс - зазор в резьбо-
1
вом соединении; Ду - упругие отжатия насадки и патрона резьбозавертывающего
устройства; р - шаг резьбы; а 2 - угол перекоса сопрягаемых резьбовых поверхно-
стей; 7’щ и Гд - допуски на средний и внутренний диаметр резьбы; d и di - наруж-
ный и внутренний диаметр резьбы.
В общем случае при сборке резьбового соединения с автоматической относи-
тельной ориентацией гайка центруется на сборочной позиции установочным под-
пружиненным фиксатором (возможны и другие способы базировании гайки, напри-
мер по граням), винт находится в ориентирующем устройстве (рис. 6.20). Ориенти-
рующее устройство и фиксатор сцентрированы с определенной точностью.
Из схемы видно, что смещение осей собираемых деталей является замыкаю-
щим звеном в размерной цепи погрешностей базирования:
е = е^ +е2 + е3,
где й] - установочное смешение осей базирующего и ориентирующего элементов;
е, = Дл/2 + 7’_/2 + 7’.„/2 - наибольшее смещение оси винта относительно оси
4 о о VjJ
ориентирующего устройства; Дв - гарантированный зазор между ориентирующим
устройством и винтом; Тв ~ допуск на изготовление наружного диаметра винта;
Тор - допуск на изготовление отверстия ориентирующего устройства;
= Дг / 2 + Гг / 2 + 7'^ / 2 - наибольшее смещение оси гайки относительно оси ба-
зы; Дг - гарантированный зазор между отверстием гайки и установочным пальцем;
7'г - допуск на изготовление отверстия гайки; Тф - допуск на изготовление фиксато-
ра.
190
Рис. 6.19. Параметры
резьбового соединения
Максимально допустимое параллельное смеще-
ние осей резьбовых поверхностей собираемых деталей,
при котором еще возможно захватывание резьбы,
е < 0,325Рр, где Рр - шаг резьбы.
Кроме параллельного смещения осей, возможен
перекос осей в начальный момент завертывания. Угол
перекоса определяют по формуле:
P = arctg(0,5 Pp/de), (6.4)
где de - номинальное значение наружного диаметра
резьбы винта.
Если угол 0 превышает значение, полученное по
формуле (6.4), то при завертывании может произойти
заклинивание и даже срыв витков резьбы.
На рис. 6.21 показана схема образования суммар-
ного угла перекоса соединяемых деталей при автомати-
ческом завертывании гайки на шпильку, ввернутую в
корпусную деталь, В представленном случае суммарный
угол перекоса & складывается из трех составляющих:
01 - угла перекоса шпильки относительно оси наверты-
вания; 02 - угла перекоса оси резьбозавертывающего
устройства и 0з - угла перекоса гайки, помещенной в
шестигранную полость резьбозавертывающего устройст-
ва, относительно оси резьбозавертывающего устройства.
Нормальная свинчиваемость резьбовых деталей
(гайки со шпилькой или винтом) возможна при условии,
что, суммарный угол перекоса будет меньше значения,
найденного по формуле (6.4). Эти условия используются
для выполнения блока 9.
0L~0l+02+03-
(6.5)
Рис. 6.20. Схема образования
суммарного угла перекоса
соединяемых деталей при
автоматическом навертывании
гайки на шпильку
Для реализации алгоритма на ЭВМ необходимо
подготовить следующие основные данные: базовый
элемент (детали или сборочную единицу), наименова-
ние, вид и параметры резьбового соединения, количе-
ство сборочных элементов, логические условия допол-
нительных ограничений на последовательность выпол-
нения операций, технически условия, точностные требования к выполнению сбо-
рочных операций и т. п.
191
Рис. 6.21. Схема сборки резьбового
соединения с автоматической
относительной ориентацией
Таким образом, именно системный подход
к анализу и синтезу процесса автоматизирован-
ной сборки резьбовых соединений позволяет
увидеть разнообразные группы факторов,
влияющих на процесс сборки, учитывать их из-
менения и взаимосвязь в различных ситуациях и
влияние на конечный результат, а также созда-
вать обобщенные модели и алгоритмы, описы-
вающие весь процесс и отдельные его состав-
ляющие. Приведенный в данной работе алго-
ритм формирования процесса сборки изделия с
использованием резьбового соединения позво-
ляет на стадии проектирования технологическо-
го процесса сборки осуществить оптимальный
поиск необходимых условий для автоматическо-
го ориентирования деталей, обеспечивающих их
свинчиваемость без срыва резьбы, а значит, и
выбрать наиболее рациональный вариант техно-
логического процесса сборки.
Главным фактором, сдерживающим авто-
матизированную сборку резьбовых соединений,
является исключительная сложность, а в боль-
шинстве случаев невозможность точного совмещения осей соединяемых деталей в
сборочном оборудовании, особенно при групповой сборке.
Создание схемы управления процессом с активными обратными связями, раз-
работанной на основе методов автоматического управления и регулирования, и соз-
дание сборочного оборудования, реализующего эту схему, возможно. Но система
управления с активными обратными связями и созданные на их основе конструкции
сборочного оборудования сложны и практически не применимы при групповой ав-
томатизированной сборке.
Ю. 3. Житниковым разработан метод пассивной адаптации деталей, соеди-
няемых по резьбовым и цилиндрическим поверхностям, который позволяет соби-
рать эти соединения при значительных (до 2,5 мм) относительных смещениях осей.
Пример использования пассивных средств адаптации соединяемых деталей приве-
ден на рис. 6.22.
Устройство работает следующим образом. При опускании плиты 4 вращаю-
щаяся резьбовая деталь 1, упираясь в узел 7, уменьшает деформацию пружины 5 и
увеличивает давление со стороны пружины 9, вызывая неустойчивость движения
завинчивающего устройства вокруг оси Z, а следовательно, возможность доориента-
ции деталей при значительном относительном смещении их осей.
192
При работе устройства происходит автопоиск (сканирование) концом соеди-
няемой детали отверстия на поверхности узла и угловое совмещение осей соединяе-
мых деталей. Использование таких устройств позволяет снизить требования к точ-
ности изготовления собираемых деталей и сборочных устройств, например, относи-
тельное совмещение осей может быть обеспечено при смещениях от 6 мм и более.
Рис. 6.22. Обобщенная кинематическая схема сборочного устройства:
1 - резьбовая деталь (шпилька); 2 - патрон для удержания шпильки; 3 - пружины
патрона; 4 - плита податливого крепления завинчивающего устройства;
5 - пружина; 6 - завинчивающее устройство; 7 - собираемый узел с резьбовым
отверстием; 8 - болтовое крепление завинчивающего устройства 6 к плите 4;
9 - пружины, установленные с зазорами между фланцем завинчивающего устрой-
ства и головками болтов
Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ В
СБОРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Детали, поступающие на сборку, имеют технологические наследственные по-
грешности, которые могут существенно изменить показатели качества готового из-
делия. Для уменьшения таких погрешностей необходимо изучение закономерностей
технологического наследования, а также проектирование изделий и технологиче-
193
ских процессов их изготовления с учетом существования явления технологического
наследования.
Сборочные операции являются своеобразным аккумулятором производствен-
ных погрешностей, так как детали с погрешностями, поступающие на сборку, ком-
понуются по различным законам и решающим образом влияют на служебные свой-
ства изделий. При этом можно отметить две категории погрешностей. Погрешности
первой категории порождаются на каждой технологической операции изготовления
деталей. Их величины регламентированы системой допусков, охватывающей точно-
стные показатели не только размеров, но и формы, расположения поверхностей, ше-
роховатости, твердости и т. д.
л Погрешности второй категории возникают на тех-
VHonormecKHX операциях сборки вследствие силового на-
гружения, влияния нагрева, напряжений и пр. Свойства
готового изделия С (рис. 7.1) определяются свойствами
И] деталей, поступающих на сборку и свойствами Аг,
формируемыми непосредственно на операции сборки.
Свойства Аг являются проявлением среды или особенно-
Рис. 7.1. Схема передачи стей сборки. На рис. 7.1 стрелки А[С н АгС характеризуют
свойств объектов и среды перенос или трансформирование свойств.
Если рассмотреть погрешности первой категории,
то можно придти к выводу, что часть погрешностей проявляется после финишных
технологических операций, а часть - ранее и переносится далее особым образом.
Ошибочно мнение, что свойства деталей формируются лишь на финишных опера-
циях. Необходимо рассматривать всю совокупность технологических операций, по-
скольку свойства изделий формируются на протяжении всего технологического
процесса. При этом достаточно четко усматриваются взаимосвязь и взаимозависи-
мость параметров, создаваемых на предшествующих и последующих операциях.
Явление переноса свойств объектов от предшествующих операций к последующим
называются технологическим наследованием, а сохранение этих свойств - техноло-
гической наследственностью.
Все детали, поступающие на сборку, имеют как наследственные, так и нена-
следственные погрешности. Особое внимание необходимо обращать на наследст-
венные погрешности. Во-первых, они, как правило, скрыты от технолога или сбор-
щика. Погрешности могут не проявиться на сборке, но проявиться уже в ходе экс-
плуатации у потребителя. Во-вторых, природа появления наследственных погреш-
ностей, как правило, не является очевидной. Поэтому борьба с ними затруднена. В-
третьих, наследственные погрешности очень устойчивы и плохо поддаются умень-
шению или ликвидации. В-четвертых, достаточно ощутима экономическая сторона
проблемы. В ряде случаев, осознав природу рассматриваемых погрешностей, на
производстве не считают возможным их устранение.
194
Рис. 7.2. Опора вала
Влияние наследственных погрешностей деталей
на качество собранного изделия можно рассмотреть на
примере типовой конструкции (рис. 7.2). Опора вала 5
расположена на подшипниках качения 4 в стакане 3,
закрепленном винтами 2. Положение стакана опреде-
лено расположением отверстия в корпусной детали 1.
Замечено, что при изготовлении колец подшип-
ников 4 их отверстия и наружные поверхности приоб-
ретают овальность, которая со временем увеличивает-
ся. Поскольку указанная погрешность выявлена после
финишной операции шлифования колец, логичным был
бы вывод, что овалы возникают именно на операции
шлифования. Для ликвидации погрешности предпри-
нимается ряд технологических мероприятий. Однако
они не дают положительных результатов.
Для выяснения истинных причин возникновения
овальности колец проведено наблюдение за величиной
к- разностью размеров Dmv. и /Jrajn, относящихся к отверстиям (рис. 7.3, а). Значение
разности зафиксировано после следующих этапов технологического процесса:
I - заготовка; II - токарная обработка; III - термическая обработка; IV - хранение на
складе в течение 7 дней перед операцией шлифования; V - шлифование; VI - хране-
ние на складе в течение 15 дней; VII - хранение на складе подшипников в течение
года, что характерно для 80 % наблюдаемых колец. В результате установлен факт,
что положение оси А-А у колец (все кольца маркированы) при прохождении всех
этапов не меняется. Причину такого явления объясняет рисунок 7.3, б. При изготов-
лении заготовок колец на горизонтально-ковочных машинах и прошивании отвер-
стий пуансоном 1 обе матрицы штампа 3 упруго раздвигаются в направлении сил Т
и кольцо 2 становится овальным. Оставляя в стороне анализ причин сохранения по-
ложения оси А-А, можно с уверенностью утверждать, что овальность - наследст-
венная погрешность, перешедшая на сборку с заготовительной операции. Далее, ес-
тественно, должен следовать комплекс технологических мероприятий по повыше-
нию качества колец. Если эти мероприятия не проводят, то гарантировать качест-
венное контактирование колец подшипников 4 (рис. 7.2) как со стаканами 3, так и с
валами 5 нельзя. Наследственные погрешности определенного вида для деталей ти-
па валов (рис. 7.2, поз. 5) тесно связаны с особенностями их изготовления на жест-
ких центрах. На последних производят множество основных технологических опе-
раций в соответствии с принципом постоянства технологических баз. При шлифо-
вании заготовка вращается на неподвижных центрах станка (рис. 7.4, а), это приво-
дит к существенному повышению точности размера и формы. Вместе с тем само из-
готовление центровых отверстий на заготовках типа валов сопряжено с появлением
195
на их конической части специфической волнистой поверхности. Если посмотреть на
центровое отверстие с торца вала, то можно увидеть чаще всего два, три или пять
гребней волн в виде блестящих полосок, оставшихся от контактов заготовки с зака-
ленным центром (условно показано на рис. 7.4, б). Этот эффект хорошо известен в
прецизионном машиностроении, где достаточно широко применяют центрошлифо-
вальные станки или правку центровых отверстий другими средствами.
Рис. 7.3. Диаграмма изменения разности размеров колец (а)
и схема возникновения погрешности (б)
Рис. 7.4. Наследственные погрешности центровых отверстий валов
196
При контактировании заготовки, совершающей круговую подачу, с жестким
центром создается опора с переменной по углу поворота жесткостью. Сила резания
приходится то на участок сопряжения гребня волны с центром, то на участок со-
пряжения со впадиной. Это обстоятельство немедленно сказывается на обрабаты-
ваемой поверхности вала. В соответствии с состоянием центрового отверстия на ва-
лу возникают два, три или пять волн, что подтверждают круглограммы, показанные
на рис. 7.4, в. Указанная волнистость особенно отчетливо проявляется при врезном
шлифовании и всегда представляет собой наследственную погрешность, устранение
которой (или уменьшение) весьма затруднительно. Естественно, если допуск на
размер шейки вала является широким, то наследственные погрешности формы мо-
гут игнорироваться. Можно утверждать, что возможны ситуации при сборке, когда
наследственная погрешность формы кольца подшипника 4 (рис. 7.2), будет нала-
гаться на наследственную погрешность вала 5 при непременном снижении качества
всего соединения.
Наследственные погрешности формы деталей типа стаканов чаще всего бы-
вают связаны с применением зажимных устройств в ходе технологических процес-
сов. Стаканы представляют собой тело вращения и при сборке соединений в корпу-
сах их положение по углу поворота вокруг оси, казалось бы, не играет роли. На
рис. 7.5 показаны графики упругих перемещений У стакана под действием силы Р.
Жесткость соединения принята как главный показатель качества сборки. После
сборки одного из соединений жесткость последнего была оценена как Jt и график
перемещений имел излом. После же сборки соединения из тех же деталей, но с по-
воротом вокруг оси стакана на 90° жесткость увеличивалась практически в 2 раза и
составила у2- Причину такого изменения следует искать в погрешности формы на-
ружной и внутренней поверхностей стакана при его изготовлении и закреплении в
трехкулачковом патроне (на схеме показано пунктиром). Последнее хорошо изучено
в технологии машиностроения.
Рис. 7.5. Графики упругих перемещений соединений со стаканами,
имеющими отклонения формы
197
Жесткость рассматриваемого соединения зависит не от особенностей опера-
ции сборки, а от наследственной погрешности формы, полученной еще на началь-
ных операциях изготовления деталей. Такая погрешность является очень устойчи-
вой и для ее ликвидации необходима серия мероприятий. Однако наилучшим реше-
нием является разработка такого технологического процесса, который уже на ран-
них этапах изготовления детали полностью исключает появление наследственных
погрешностей. В этой связи необходимо отметить важное обстоятельство. Когда на-
следственная причина уже установлена, то само явление возникновения погрешно-
стей становится предельно ясным для технолога и никаких сомнений не вызывает.
Поэтому необходимо накопление информации о явлениях технологической наслед-
ственности и прежде всего отнесенной к деталям конкретных типов.
Один из видов погрешностей имеет особое значение и связан с технологиче-
ским наследованием конструктивных форм деталей. Суть таких погрешностей вид-
на, например, на рис. 7.6 и относится к форме образующих АВ стаканов или других
деталей.
Если протачивать или шлифовать заготовку, то образующая АВ (рис. 7.6, а) не
может быть прямолинейной, так как жесткость заготовки или детали в радиальном
направлении оказывается переменной. Примерная форма образующей, полученная
расчетом, приведена на рис. 7.6, б, в координатах: I - длина заготовки, W- радиаль-
ное перемещение. Здесь влияние кольцевого ребра в отверстии стакана очевидно.
Если, например, у стакана будет два таких ребра, то это немедленно отразится на
форме образующей. Наследственные погрешности указанного вида определяют рас-
четом и о них уже можно судить до изготовления деталей. Вопрос же о величинах W
решается с учетом силовой картины при резании, геометрических параметров дета-
ли и свойств обрабатываемого материала.
Наследственными оказываются и погрешности, возникающие при деформиро-
вании тех же стаканов в момент их закрепления на корпусных деталях. Такие сбо-
рочные погрешности сохраняются и в процессе эксплуатации (рис. 7.7).
Каждая из деталей имеет наследственную погрешность Д в виде отклонений
от параллельности торцов (погрешности показаны в утрированном виде). Поэтому
при затягивании гайки система моментов сил изгибает вал в различных плоскостях.
Одно из положений оси деформированного на сборке вала показано штрихпунктир-
ной линией. Это положение при сборке изменяется в каждый момент времени в за-
висимости от характера контактирования собираемых деталей. Так, в один из мо-
ментов нагружения уменьшаются все угловые зазоры, а вал деформируется. В сле-
дующий момент оказывается, что один или несколько угловых зазоров уже погаси-
лись, а деформируется вал с другими параметрами. Может быть и так, что у готово-
го изделия ряд угловых зазоров окажутся вообще не погашенными. Отметим также,
что наряду с погрешностями указанных зазоров одновременно трансформируются и
другие наследственные погрешности собираемых деталей.
198
Рис. 7.6. Деталь и график отклонения Рис. 7.7. Схема сопряжения вала
от прямолинейности образующей с деталями, имеющими наследственные
погрешности
Происходящие в сборке процессы усугубляются особенностью контактных
взаимодействий в местах сопряжений деталей. В этом случае приходится отказы-
ваться от тривиальных представлений только о снятии микронеровностей поверхно-
стей и оценивать явления с позиции синергетики - науки о возникновении самоор-
ганизующихся систем. Сопрягаемые на сборке детали и их поверхностные слои, без-
условно, представляют собой сложную технологическую систему. Как только пере-
стает действовать причина (например сила) или изменяется ее значение, так соглас-
но принципу Бора наблюдается саморазвитие или самоорганизация этой системы.
Рассматриваемая в нашем случае технологическая система является динамической,
то есть развивающейся во времени. Поведение таких систем приведено в трудах Пу-
анкаре и Эйлера.
Из основных положений синергетики следует, что применительно к сборке
может наступить такой момент, когда по отношению к собираемому объекту изме-
нения (силы, момента силы, давления, структурных превращений, окисления и пр.),
вызванные операциями соединения, должны рассматриваться как бифуркация, то
есть катастрофа. Здесь основным является вывод о том, что с момента бифуркации
технологическая система «теряет свою память» и, следовательно, свойства объектов
оказываются новыми и принципиально непредсказуемыми. О синергетике зашла
речь не только для того, чтобы показать сложность явления, но и чтобы отметить
тот факт, что «потеря памяти» в технологических системах позволяет игнорировать
явления технологического наследования «вредных» свойств собираемых деталей,
что особенно полезно для сборки прецизионных объектов.
Таким образом, наследственные погрешности любого вида - объективное яв-
ление, игнорировать которое недопустимо и опасно. Технологические наследствен-
ные погрешности возникают на всех этапах жизненного цикла изделия. Их возник-
новение, развитие и закрепление в изделии подчиняются определенным закономер-
199
ностям, знание которых может быть использовано для существенного повышения
качества и совершенствования сборочных операций. Необходимо изменить мнение
о том, что погрешности возникают только на финишных операциях процесса изго-
товления деталей. Операции изготовления и сборки надо рассматривать как единое
производственное пространство, в котором вредные свойства объектов должны со-
кращаться, а положительные - развиваться. Развитие наследственных погрешно-
стей-процесс динамический, что должно быть непременно учтено при сборке.
«Входной» контроль собираемых объектов надо организовать с учетом единого на-
следственного подхода к оценке качества материалов, особенностей заготовитель-
ного производства (литье, сварка, обработка давлением), механической обработки
заготовок резанием и сборки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Автоматизация сборочных процессов / Лебедовский М. С., ЛобзовБ. А.,
Муценек К. А. и др. / Отв. ред. Муценек К. А. - Рига: Рижский политехнический ин-
ститут, 1981.-81 с.
2. Алексеев В. А. Не допускайте ошибок И Методы менеджмента качества. -
2005.-№7.-С. 48-49.
3. Арпентьев Б. И., Земкин А. С., Куцын А. Н. Механизация и автоматизация
сборочных работ на машиностроительных предприятиях. - Киев: Техника, 1994. -
232 с.
4. Балакшин Б. С. Теория и практика технологии машиностроения. - М.: Ма-
шиностроение, 1982. - 367 с.
5. БалуковаМ. В. Предотвращение ошибок, или покэ-ёка // Методы менедж-
мента качества. - 2005. - № 9. - С. 42 - 43.
6. Бедрин В. М. Место и роль сборочных операций в производственном про-
цессе и пути их совершенствования // Сборка в машиностроении, приборостроении.
= 2000.-№ 1.-С. 2-10.
7. Беликов В. Н., Никитин А. Н. Сборка авиационных двигателей. - М.: Ма-
шиностроение, 1971. - 236 с.
8. Бордзыка А. М., Гецов Л. Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. -
Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1978. - 256 с.
9. Водолазская А. Е. Формирование качества автоматизированной сборки
резьбовых соединений И Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2004. -
№ 4. - С. 35 - 37.
10. Водолазская Н. В., Михайлов А. Н., Порываев Д. А. О системном подходе
К анализу и синтезу процесса автоматизированной сборки резьбовых соединений //
200
Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. науч-
ных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 2001. - Вып. 16. - С. 75 - 80.
11. Гедьфанд М. Л., Ципенюк Я. И., Кузнецов О. К. Сборка резьбовых соеди-
нений. - М.: Машиностроение, 1978. - 109 с.
12. Горелов С. А. Использование полимерных материалов при сборке, ремонте
и модернизации оборудования И Сборка в машиностроении, приборостроении. -
2003.-№5.-С. 18-21.
13. Гусаков Б. В. Методы и средства тарированной затяжки ответственных
резьбовых соединений И Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2003. -
№9.-С. 12-23.
14, Гусев А. А. Основные принципы построения сборочных гибких производ-
ственных систем. - М.: Машиностроение, 1988. - 68 с.
15. Дальский А. М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных
деталей машин. - М.: Машиностроение, 1975. - 223 с.
16. Дальский А. М., Кулешова 3. Г. Сборка высокоточных соединений в ма-
шиностроении. - М.: Машиностроение, 1988. - 304 с.
17. Даукшас К. К. Стабилизация формы деталей вибрационным нагружением /
Автореф. дис.... канд. техн. наук. - Иркутск: ИГТУ, 1996. - 20 с.
18. Евстигнеев М. И., Морозов И. А., Подзей А. В. и др. Изготовление основ-
ных деталей авиационных двигателей. - М.: Машинотсроение, 1972. - 448 с.
19. Евстигнеев М. И., Подзей А. В., Сулима А. М. Технология производства
двигателей летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1982. - 261 с.
20. Жабин А. П., Мартынов А. П. Сборка изделий в единичном и мелкосерий-
ном производстве. - М.: Машиностроение, 1983. -184 с.
21. Захаров В. А. Пути достижения заданного качества при сборке ГТД. - Куй-
бышев: КуАИ, 1988.-67 с.
22. Зенкин А. С., Арпентьев Б. М. Сборка неподвижных соединений термиче-
скими методами. - М.: Машиностроение, 1987. - 128 с.
23. Ильянков А. И., Левит М.Е. Основы сборки авиационных двигателей. -
М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.
24. Козырев Ю. Г., Козырева-Карпиньска Л. Ю. О методологии проектирова-
ния процессов роботизированной сборки // Сборка в машиностроении и приборо-
строении. - 2000. - № 3. - № 3. - С. 27 - 32.
25. Козырев Ю. Г., Козырева-Карпиньска Л. Ю. Вопросы методики расчета,
экономической эффективности применения промышленных роботов на операциях
сборки // Сборка в машиностроении и приборостроении. - 2002. - № 7.
26. Колесов И. М. Основы технологии машиностроения. - М.: Машинострое-
ние, 1997. - 592 с.
27. Косилов В. В. Технологические основы проектирования автоматического
сборочного оборудования. - М.: Машиностроение,1976. - 248 с.
201
28. Кошкин Л. Н. Роторно-конвейерные линии. - 2-е изд., стереотип. - М.:
Машиностроение, 1986. - 320 с., ил.
29. Кубарев А. И. Линейные и угловые размерные цепи. Расчет И Справочник.
Инженерный журнал. - 1998. - № 8. - С. 2 -7
30. Лебедовский М. С., Вейц В. Л., Федотов А. И. Научные основы автомати-
зированной сборки. - Л.: Машиностроение, 1985. - 316 с.
31. Непомилуев В. В. Разработка технологических основ обеспечения качества
сборки высокоточных узлов газотурбинных двигателей / Дис. ... докт. техн. наук. -
Рыбинск: РГАТА, 2000. - 356 с.
32. Никитина.Н. Технология сборки двигателей летательных аппаратов. -
М.: Машиностроение, 1982. - 269 с.
33. Новиков М. П. Основы технологии сборки машин и механизмов. - 5-е изд.
М.: Машиностроение, 1980. - 592 с.
34. Размерный анализ технологических процессов / В. В. Матвеев, М. М. Твер-
ской, Ф. И. Бойков и др. - М.: Машиностроение, 1982. - 264 с.
35. Рыжов Э. В., Суслов А. Г., Федоров В. П. Технологическое обеспечение
эксплуатационных свойств деталей машин. - М.: Машиностроение, 1979. - 176 с.
36. Сборка и монтаж изделий машиностроения: Справочник в 2-х томах. - М.:
Машиностроение, 1983. Т. 1. Сборка изделий машиностроения / Под ред.
В. С. Корсакова, В. К. Замятина - 480 с.; Т. 2. Монтаж машин и агрегатов / Под. ред.
В. С. Демина, П. П. Алексеенко. - 360 с.
37. Симаков А. Л., Житников Б. Ю. Погрешности позиционирования активных
средств адаптации для автоматизированной сборки // Сборка в машиностроении,
приборостроении. - 2004. - № 1. - С. 30 - 34.
38. Симаков А. Л., Житников Б. Ю., Кобаева О. Н., Воркуев Д. С. Автоматизи-
рованный комплекс сборки бортовой передачи трактора Т-25 И Сборка в машино-
строении и приборостроении. - 2003. - № 8. - С. 18 - 22.
39. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / Под
ред. А. Г. Братухина, Г. К. Язова, Б. Е. Карасева. - М.: Машиностроение, 1997. -
416 с.
40. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение контактной жёсткости соеди-
нений. - М.: Наука, 1997. - 100 с.
41. Суслов А. Г., Дальский А. М. Научные основы технологии машинострое-
ния. -М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.
42. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве /
Под ред. А. М. Дальского. - М.: Изд-во МАИ, 2000. - 364 с.
43. Технологические основы обеспечения качества машин / К. С. Колесников,
Г. Ф. Баландин, А. М. Дальский и др.; Под общ. ред. К. С. Колесникова. - М.: Ма-
шиностроение, 1990. - 256 с.
202
44. Технологическое обеспечение проектирования и производства газотур-
бинных двигателей / Б. Н. Леонов, А. С. Новиков, Е. Н. Богомолов и др. - Рыбинск:
ОАО «Рыбинской Дом печати», 2000. - 407 с.
45. Технологические процессы механической и физико-химической обработки
в авиадвигателестроении. / В. Ф. Безъязычный, М. Л. Кузменко, А. В. Лобанов и др.;
Под общ. ред. В. Ф. Безъязычного - М.: Машиностроение, 2007. - 539 с.
46. Тулинов А. Б., Гончаров А. Б. Новые композиционные материалы для сбо-
рочных и ремонтных работ // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2003. -
№7.-С. 26-28.
47. Храбров А. С. Совершенствование процессов автоматизации сборочных
работ,-Л.: Машиностроение. Ленинград, отд.-ние, 1979.-230 с.
48. Черневский Л. В. Технологическое обеспечение точности сборки прецези-
онных изделий. - М.: Машиностроение, 1984. - 176 с.
49. Штриков Б. Л. Особенности ультразвуковой сборки // Сборка в машино-
строении, приборостроении. - 2002. - № 1. - С. 14 - 17.
50. Штриков Б. Л., Родимое Г. А. Исследование интенсивности изнашивания и
приработки контактных поверхностей при ультразвуковой сборке // Сборка в маши-
ностроении, приборостроении. - 2002. - № 9. - С. 2 - 4.
51. Штриков Б. Л., РодимовГ. А, Тепляков А. Ю., ХанФ. Р. Повышение эф-
фективности сборки прессовых соединений путем применения ультразвука // Сбор-
ка в машиностроении, приборостроении. - 2002. - № 8. - С. 2 - 6.
52. Дмитриева М. Н. Обеспечение контактной жесткости деталей машин на
основе управления технологическими условиями обработки. Диссертация на соис-
кание ученой степени кандидата технических наук. - Рыбинск, 2010.-212 с.
53. Машиностроение. Энциклопедия. Т Ш-5. Технология сборки в машино-
строении. - М.: Машиностроение, 2006. - 640 с.
54. Инженерия поверхности деталей / Под ред. А. Г. Суслова. - М.: Машино-
строение. 2008. - 320 с.
55. Фриндлендер И. Г. Основы теории функциональной взаимозаменяемости И
Известия вузов. Машиностроение. - 1963. - № 3. - С. 101 - 110.
56. Адлер Ю. П. Индексы воспроизводимости процессов / Ю. П. Адлер,
В. Л. Шпер // Вестник машиностроения. - 1994. - № 7. - С. 39-45.
57. Малахов А. Д. Комплектование многопараметрических прецизионных со-
единений / А, Д. Малахов, Д. А. Кулешов И Сборка в машиностроении, приборо-
строении. - 2003. - № 2. - С. 7 - 11.
58. Венцславский И. В. Сборка контактных групп электромеханических про-
граммных механизмов по принципу равножесткости / И. В. Венцславский,
Л. Ю. Руднева // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2003. - № 5. -
С. 26 - 27.
203
59. Патрик Л. И. Технология и оборудование для сборки машин в условиях
компьютеризированного производства / Л. И. Патрик // СТИН. - 1996. - № 5. -
С. 7-12.
60. Коганов И. А. Обобщение задачи оптимизированного подбора деталей при
сборке станочных узлов / И. А. Коганов, В. В. Семин, В. К. Тарханов И Станки и ин-
струмент. - 1992. - № 4. - С. 4 - 7.
61. Сборка и монтаж изделий машиностроения [Текст]: Справочник: в 2 т. Т 1.
Сборка изделий машиностроения / Под ред. В. С. Корсакова, В. К. Замятина. - М.:
Машиностроение, 1983.-480 с.
62. Панин Г. И. Автоматическое комплектование деталей плунжерных пар с
использованием ЭВМ / Г. И. Панин, Ф. Г. Страдов, А. С. Захаревский // Труды
ЦНИТА. - 1975. - Вып. 65. - С. 9 - 13.
63. Коническая передача: пат. 1018284 ФРГ: Кл. 47 h, 6 F 06.
64. Добровольский Л. В. Применение анаэробных композиций в фиксирую-
щих устройствах / Л. В. Добровольский // Станки и инструмент. - 1989. - № 8. -
С.4-5.
65. Цепи размерные. Расчет допусков с учетом условий контакта сопряженных
деталей: Метод, рекомендации МР 36-82 [Текст]. - М.: ВНИИНМАШ, 1982. - 62 с.
66. ГОСТ 24642 - 81. Допуски формы и расположения поверхностей. Основ-
ные термины и определения [Текст] - Введ. 1981-07-01. - М.: Изд. стандартов,
1984.- 14 с.
67. Внуков В. П. Об изнашивании шатунных подшипников качения И Вестник
машиностроения.- 1978.-№ 11.-С. 16- 19.
68. Пуш А. В. Оценка качества и надежности шпиндельных узлов И Машино-
ведение. - 1987. - № 3. - С. 27 - 35.
69. Васильев А. С. Направленное формирование качества машин И Конструк-
торско-технологическая информатика - 2000: Труды конгресса. - М.: Изд-во «Стан-
кин», 2000.-С. 93-95.
70. Плещеев В. Ф. Оптимальный зазор И Вестник машиностроения. - 1986. -
№5.-С. 20-23.
71. Силаев Б. М. Повышение работоспособности шарикоподшипников в усло-
виях перекоса И Авиационная промышленность. - 1977. - № 7. - С. 33 - 36.
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Безъязычный Вячеслав Феоктистович
Непомилуев Валерий Васильевич
Семенов Александр Николаевич
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ
ПРИ СБОРКЕ
Зав. РИО М. А. Салкова
Редактор Н. В. Мирзоян
Компьютерная версткаМ. Ю. Лапина
Подписано в печать 14.12.2012
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Гарнитура Times New Roman.
Уч. изд. л. 12,75. Тираж 200. Заказ 333.
ООО «Издательский дом «Спектр»
119048, Москва, ул. Усачёва, д. 35, стр. 1
Htt://www.idspektr.ru. E-mail: idsnektr@jambler.ru
Отпечатано во множительной
лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева
152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53