НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Спицький Анатолій Миколайович

УДК 621.9

РОЗРОБКА І ВПРОВАДЖЕННЯ КОМПЛЕКТУ
УНІВЕРСАЛЬНИХ ЗАСОБІВ МЕХАНІЗАЦІЇ

ПЕРЕНАЛАГОДЖУВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЧНОЇ
ОСНАСТКИ

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Харківському науково-дослідному інституті технології машинобудування Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Мовшович Олександр Якович,

Харківський науково-дослідний інститут

технології машинобудування Державного

комітету промислової політики України, м. Харків,

зам. директора інституту - головний інженер;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Карпусь Владіслав Євгенович,

Національний технічний університет“

Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, м. Харків,

професор кафедри “Технологія машинобудування та металорізальні верстати”;

кандидат технічних наук, доцент

Зенкін Микола Анатолійович,

Київський національний університет технології та дизайну Міністерства освіти і науки України, м. Київ,

доцент кафедри “Метрологія, стандартизація і сертифікація”.

Провідна установа

Відкрите акціонерне товариство “Мотор Січ” Державного комітету промислової політики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться 28.03. 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті“

Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий 27.02. 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналз верстатних пристосувань, що застосовуються на машинобудівних підприємствах галузі, показав, що основним видом оснащення, яке складає 80% усього діючого, є оснащення нерозбірного типу, необоротне, не розраховане на використання при зміні виробу. Переважають малопродуктивні конструкції спеціальних пристосувань з неефективними ручними затискними пристроями. Таке оснащення не забезпечує підвищення продуктивності праці верстатників у випадку переходу від дрібносерійного виробництва до середньосерійного або крупносерійного.

Пристосування, які використовуються в крупносерійному і масовому виробництвах продуктивні, але потребують великих затрат як в проектуванні, так і у виготовленні. Вони також не розраховані на використання при зміні об'єкта виробництва. Тому при проектуванні прогресивних верстатних пристосувань істотно прагнути до забезпечення можливостей їх багаторазового використання.

Найбільш ефективним методом створення таких пристосувань є уніфікація і агрегатування, тобто розчленування конструкції на окремі агрегати (складові одиниці та деталі), нормалізація їх і організація спеціалізованого виробництва. На даний момент у вітчизняній і закордонній практиці нормалізації підлягали в основному кріпильні, а також дрібні і середні деталі, що входять до категорії базуючих і затискних елементів пристосувань. Нормалізація таких деталей дозволила знизити трудомісткість виготовлення верстатних пристосувань лише на 5 – 8 відсотків. Багатора-зовість їхнього використання незначна.

В результаті сформованої практики використання оснащення, особливо на підприємствах з одиничним і серійним виробництвом, що складають відповідно 70% і 28% у загальній структурі виробництв маши-нобудівних підприємств, об'єм пристосувань з ручним закріпленням оброблюваних заготовок складає 85% - 90% у загальному балансі пристосувань для механічної обробки. Все це веде до істотного зниження продуктивності праці верстатників.

В умовах одиничного і серійного типів виробництв найбільш ефективними є комплекти універсальних засобів механізації технологічного оснащення (УЗМ), що складаються з гідроблоків, гідроциліндрів, арматури, пневмогідропідсилювачів, а також інших деталей і складальних одиниць, що відрізняються високою універсальністю, обмеженою кількістю типорозмірів гідропристроїв [50]. УЗМ дозволяє методом агрегатування механізувати переналагоджувані верстатні пристосування без збільшення як циклу проектування, так і трудомісткості виготовлення механізованого оснащення.

У зв'язку з цим особливого значення набуває правильний вибір науково обґрунтованих конструктивних параметрів елементів УЗМ і матеріалів для їхнього виготовлення, методів поверхневого упорядкування і підвищення зносостійкості пар тертя, способів ущільнення рухомих з'єднань гідроциліндрів як найбільш навантажених монтажних одиниць.

Складність вирішення цих задач обумовлюється тим, що на даний момент була проведена недостатня кількість досліджень стосовно цих питань. У більшості випадків у вітчизняній і закордонній технічній літературі описуються різні конструктивні варіанти універсально-збірних пристосувань та способи їх установки, закріплення тощо.

Недостатньо вивчені питання працездатності гідроблоків УЗМ в залежності від конструктивних факторів, зокрема, від їх товщини і способу закріплення.

Цілком відсутні дослідження в галузі вибору матеріалу і покриттів, зносостійкості корпусних і рухомих деталей УЗМ. Не проводилися також дослідження з визначення ресурсу S-образних ущільнень і підвищення їхньої довговічності. Більшість рекомендацій носить суто прикладний характер і не підкріплюються ніякими експериментами.

Усе це утруднює вибір економічно ефективних засобів механізації верстатних пристосувань, оптимальних конструктивних параметрів основних деталей і монтажних одиниць при їх проектуванні.

Таким чином, питання розробки і впровадження універсальних засобів механізації технологічного оснащення; дослідження працездатності базових плит і гідроциліндрів як основних найбільш навантажених елементів комплектів УЗМ, визначення економічної ефективності від механізації верстатних пристосувань за допомогою УЗМ є актуальною науково-технічною задачею, що має велику наукову і практичну цінність, становить дуже перспективний напрямок в галузі технічного прогресу взагалі.

Зв’язок роботи з науковими програмами планами, темами. Робота виконувалася в рамках державної науково-технічної програми “Високі технології в машинобудуванні” (договір №15.14/12 від 10.06.95р.).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці і комплексному дослідженні комплекту універсальних засобів механізації переналагоджуваного оснащення в інтересах прискорення технологічної підготовки виробництва, а також в обґрунтуванні конструктивних параметрів та надійності основних конструктивних елементів.

Досягнення наукової мети дисертації (на підставі аналізу існуючого стану даної проблеми) потребує вирішення нижче наведених взаємозалежних питань:

· Теоретичне дослідження напружено-деформованого стану гідравлічних блоків і гідроциліндрів та одержання математичних залежностей для визначення раціональних конструктивних параметрів.

· Експериментальне дослідження гідравлічних блоків і гідроцилін-дрів з метою визначення їх міцності та твердості.

· Експериментальне дослідження геометрії Т-образних пазів з метою вибору оптимальної форми.

· Експериментальне дослідження впливу конструктивних параметрів гідроциліндрів на їх напружено-деформований стан.

· Дослідження впливу матеріалу і методів поверхневого зміцнення на зносостійкість рухомих з'єднань.

· Експериментальне визначення ресурсу S-образного ущільнення.

· Визначення рівня стандартизації й уніфікації елементів УЗМ.

· Визначення техніко-економічної ефективності отриманих наукових результатів.

Об’єкт дослідження – конструктивно-технологічні параметри базових елементів УЗМ.

Предмет дослідження – універсальні засоби механізації (УЗМ) переналагоджуваного технологічного оснащення.

Методи дослідження:

· Теоретичне дослідження напружено-деформованого стану базових елементів УЗМ здійснено з використанням метода кінцевих елементів.

· Експериментальні дослідження напружень та деформацій базових елементів УЗМ здійснені з використанням метода моделювання та електротензометрії.

· Дослідження розподілу напруги в зоні концентраторів стінки корпусу поршня, вузла кріплення гідроциліндрів проводилось на площинних та об’ємних моделях із оптично активного матеріалу методом фотопружності з “заморожуванням” напруги.

· Визначення зносостійкості направляючих частин рухомих з'єднань виконано за допомогою гравиметричного методу.

· Визначення ресурсу еластомірних ущільнень відбувалось методом прискорених іспитів на спеціальному стенді з використанням натурних зразків гідроциліндрів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в нижче приведеному:

1. Теоретично й експериментально вивчено напружено-деформований стан основних елементів комплекту універсальних засобів механізації переналагоджуваного технологічного оснащення, що дозволило вперше встановити аналітичні залежності для визначення їх конструктивних параметрів.

2. На підставі ресурсних іспитів еластомірних ущільнень
S-образного перетину з форсуванням за швидкістю, навантаженням, температурою визначені такі показники, як працездатність та ресурс.

3. Отримані функціональні залежності працездатності гідравлічних циліндрів від еластомірних ущільнень S-образного перетину, фізико-механічних властивостей матеріалу і поверхневого шару.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична цінність роботи полягає в наступному:

1. Розроблені універсальні засоби механізації переналагоджуваного технологічного оснащення фрезерної, свердлильної і розточувальної груп, що забезпечують скорочення на 60-80% витрати металу на їхнє виготовлення, ріст продуктивності праці верстатників на 15-20%, скорочення термінів технологічної підготовки виробництва.

2. Визначені раціональні методи компонування механізованого переналагоджуваного технологічного оснащення.

3. Визначена технічно доцільна й економічно ефективна галузь застосування комплектів УЗМ в умовах машинобудівного виробництва.

4. Здійснено впровадження комплектів УЗМ на двох підприємствах з економічним ефектом 125,2 тис. грн.

Особистий внесок здобувача.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що ним виконані такі види робіт, як теоретичне дослідження напружено-деформованого стану основних елементів конструкції комплекту УЗМ-12; встановлені аналітичні залежності конструктивних параметрів, що забезпечують твердість, міцність і необхідний термін їхньої служби; експериментально визначений вплив конструктивних параметрів, матеріалів, зміцнюючих покрить на працездатність рухомих елементів; визначена галузь економічно доцільного застосування у виробництві комплекту УЗМ-12.

Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота в цілому і окремими розділами докладалася й обговорювалася на науково-технічній раді ХНДІТМ, та трьох науково-технічних конференціях.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 8 статтях у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновку, двох додатків. Повний обсяг дисертації складає 239 сторінок; 38 ілюстрацій по тексту, 89 ілюстрацій на 54 сторінках; 16 таблиць по тексту, 2 таблиць на 2 сторінках; два додатка на 2 сторінках; 119 найменувань використаних літературних джерел на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані наукова новизна і практична цінність роботи, наведені питання, що виносяться на захист.

В першому розділі зроблений аналіз стану технологічного оснащення механообробного виробництва на підприємствах галузі; стану і тенденцій удосконалення гідравлічного приводу верстатних пристосувань, поставлена задача і визначені методи дослідження.

Безперервне підвищення вимог до робочих параметрів виробів, прискорення темпів виробництва нових, більш досконалих конструкцій машин призводить до росту об'єму робіт і витрат на технологічну підготовку виробництва.

Найбільш значними виявляються витрати на проектування і виготовлення технологічного оснащення, що складають за трудомісткістю 80%, а за тривалістю – 90% загальних витрат.

У 2000 році підприємствами машинобудівного комплексу було виготовлено 42,2 тис. одиниць пристосувань, на що було витрачено 870 тис. т. металу.

Це пояснюється тим, що для оснащення виробництва застосовуються великогабаритні, а отже, металоємкі і дорогі пристосування, що вимагають підвищеної твердості і зусиль для закріплення оброблюваних заготовок. При цьому 50% кількості і 74% вартості приходяться на пристосування фрезерної, свердлильної і розточувальної груп.

Питанням удосконалення технологічного оснащення, підвищенню рівня її механізації присвячені роботи Алексєєва В.П., Жолткевича М.Д., Кондакова Л.А., Будьонного М.М., Ряховського О.В. Кузнєцова Ю.А., Мовшовича О.Я., Кобзева О.С. та інших авторів. Аналіз опублікованих робіт у СНД і за кордоном показує, що процес удосконалення верстатних присто-сувань йде по таким основним напрямкам:

· створення нових видів переналагоджуваного оснащення;

· використання механізованих приводів, серед яких перевага відда-ється гідра-влічним;

· агрегатування пристосувань;

· підвищення енергомісткісті механізованих приводів, тобто скорочення їх габаритів за рахунок збільшення тиску робочого середовища;

· створення вузькоспеціалізованих підприємств, що виготовляють найбільш трудомістку частину пристосувань – механізовані приводи.

Удосконалення технологічної підготовки виробництва, істотне скорочення об'ємів ручної праці і підвищення продуктивності устаткування можливо при широкому застосуванні розроблених універсальних засобів механізації технологічного оснащення.

Однак, опубліковані рекомендації з вибору різних конструктивних параметрів гідроблоків гідроциліндрів, найбільш навантажених і відповідальних складових одиниць комплектів УЗМ, носять емпіричний характер і не можуть бути використані для прийняття науково обґрунтованих рішень. Не проводилися теоретичні й експериментальні дослідження їхнього напружено-деформованого стану.

В існуючих публікаціях відсутні результати досліджень, що містили б у собі науково обґрунтовані рекомендації з вибору матеріалів, режимів і видів хіміко-термічної обробки, методів підвищення зносостійкості рухомих деталей гідроциліндрів УЗМ. Також не проводилися дослідження, а звідси й відсутня методика визначення ресурсів еластомірних ущільнень S-образного перетину.

На підставі результатів аналізу стану питання по даній проблемі для досягнення мети роботи ставляться наступні взаємозалежні задачі:

1. Теоретичне дослідження напружено-деформованого стану (НДС) гідроблоків, корпусу, поршня гідроциліндру; розробка методики для чисельного розрахунку їх на міцність і твердість.

2. Експериментальне дослідження НДС корпусу і поршня гідроциліндра.

3. Експериментальне дослідження впливу конструктивних параметрів елементів гідроциліндрів на їх НДС; впливу матеріалу, поверхневого зміцнення на зносостійкість рухомих елементів.

4. Розробка методики і проведення ресурсних іспитів S-образних ущільнень; експериментальне визначення їхнього ресурсу.

5. Експериментальне дослідження впливу товщини стінки на НДС натурних гідроциліндрів у виробничих умовах; проведення порівняльного аналізу отриманих результатів з результатами, знайденими як розрахунковим шляхом, так і шляхом проведення досліджень на моделях.

6. Визначення раціональних форм і геометричних параметрів Т-образних пазів комплектів УЗМ.

7. Визначення техніко-економічної ефективності отриманих наукових результатів.

У другому розділі описані склад і конструктивні особливості розроблених універсальних засобів механізації верстатних пристосувань.

Суть комплектів УЗМ полягає в механізації з їх застосуванням переналагоджуваних верстатних пристосувань методом агрегатування різноманітних конструкцій затискних пристроїв з обмеженого числа уніфікованих елементів, що відрізняються єдністю приєднувальних розмірів, матеріалів, параметрів щодо точності, високою працездатністю, широкою універсальністю, взаємозамінністю і багаторазовим використанням у процесі виробництва.

Комплекти УЗМ призначені для механізації закріплення оброблюваних заготовок як у знов спроектованих, так і таких, що виготовляються та діючих спеціальних, спеціалізованих і універсальних верстатних пристосуваннях фрезерної, свердлильної, розточувальної груп. Вони складаються з гідравлічних циліндрів однобічної дії з наскрізним штоком, рукавів високого тиску, арматури, джерел тиску – пневмогідроперетворювачів.

У комплекті УЗМ закладені принципи багаторазового застосування елементів конструкції, обумовленого їхньою високою працездатністю, широкою універсальністю і взаємозамінністю.

Таблиця 2.1.

Технічна характеристика УЗМ-12 |

Значення

Група верстатів, що обслуговуються комплектами | свердлильно-фрезерна

Кількість верстатів, що обслуговуються одним комплектом, шт. | 5

Середня кількість пристосувань, механізованих одним комплектом за рік, шт. | 250

Середній час складання одного механізованого пристосування, година | від 3 до 6

Робочий тиск, МПа | від 2,5 до 10

Середній термін служби, років | 10

Зусилля на штоку гідроциліндрів, Н

що тягне | від 6190 до 24730

що штовхає | від 6860 до 27440

Конструкції елементів УЗМ-12 розроблені з урахуванням забезпечення:

· уніфікації конструктивних елементів з деталями і складальними одиницями УЗП-12;

· уніфікації приєднувальних розмірів для установки арматури з відповідними розмірами арматури УЗП-12;

· габаритні розміри гідроблоків, рівними габаритним розміром базових блоків УЗП-12.

У порівнянні з існуючими засобами механізації технологічного оснащення розроблені конструкції мають такі особливості:

· основні деталі і складальні одиниці виготовлені зі сталі 40Х с наступною термічною обробкою (HRCэ 40-44) і поверхневим зміцненням рухомих елементів;

· ущільнення рухомих з'єднань здійснено еластомірними кільцями S-образного перетину з високими ресурсними характеристиками;

· гідроциліндри мають універсальний вузол кріплення, що забезпечує їх встановлення і зняття протягом кількох хвилин без доробки;

· удосконалена арматура забезпечує герметичність при багаторазовому застосуванні без додаткових витрат.

Третій розділ присвячений теоретичному дослідженню напружено-деформованого стану базових плит, елементів гідроциліндрів УЗМ і розробці на цій основі рекомендацій з вибору їхніх конструктивних параметрів.

Базові плити комплекту УЗП-12 призначені для закріплення і базування оброблюваних деталей на столах верстатів. Розмаїття діючих силових факторів приводиться в системі трьох сил і трьох моментів. Як показали попередні розрахунки, найбільш несприятливі випадки виникають при навантаженні системою зусиль Рх=5кН, Ру=10кН і моментом Мх=700Нм.

Для розв’язання сформульованої контактної задачі з граничними умовами типу нерівностей найбільш ефективним є застосування методики, заснованої на використанні теорії варіаційних нерівностей.

Початкова система співвідношень для дослідження напружено-дефор-мованого стану базових плит у системі координат має вигляд:

де, - компоненти вектора переміщення точок плити;

- компоненти тензорів напруги і деформацій;

- тензор пружних постійних матеріалів плити.

З використанням розробленого алгоритму, реалізованого у вигляді комп’ютерної програми, був проведений розрахунок напружено-деформованого стану базової плити.

У процесі дослідження товщина стінки плити t змінювалась у таких межах: 20, 40, 60, 120 мм. Дослідження показали, що характер деформування плити при зазначених вище товщинах, приблизно однаковий, а саме, найбільші переміщення спостерігаються на периферії плити, при наближенні до центральної частини вони зменшуються.

Домінуючими напругами в плиті є .

Еквівалентні напруги визначалися по формулі:

Рівень цих напруг у корпусі плити невисокий, за винятком кутових зон, де вони досягають величини 27 МПа.

Проведений аналіз показав, що максимальні переміщення і напруги в плиті спостерігалися при t=20 мм. При цьому розмір еквівалентних напруг (156 МПа) значно нижче, ніж границя текучості матеріалу (800 МПа), що забезпечує його роботу в пружній зоні.

Як показав аналіз конструкцій і умов роботи, найбільш навантаженими елементами гідроциліндра є корпус і поршень. Необхідність розрахунку їх НДС приводить до вирішення асиметричних задач теорії пружності для зон складної форми з визначеними граничними умовами, що випливають з умов напруження.

Для дослідження корпусу і поршня гідроциліндра був обраний чисельний метод кінцевих елементів. Досліджувана зона розбивалася на кінцеві елементи, у межах яких шукані функції були представлені у вигляді поліномів з невідомими коефіцієнтами. Ці коефіцієнти визначалися в процесі вирішення задачі, виходячи з умови мінімуму енергії системи. У даному випадку застосовувалися тороідальні елементи з поперечним перерізом трикутної форми.

У системі координат компоненти вектора переміщень (радіальне переміщення) і (осьове переміщення) в межах кінцевого елементу мають такий вигляд:

де ( ) – невідомі коефіцієнти. Вони виражаються через вузлові значення і з нижче наведеної системи співвідношень (наведені для функції , для функції - вони аналогічні) :

де номери вузлів кінцевого елементу;

значення у вузлах з номером

Компоненти вектора деформацій

де відповідно осьова, радіальна й окружна деформації;

деформація зрушення в площині ,

пов'язані з компонентом вектора переміщень співвідношеннями Коші:

Вектор напруг має чотири ненульові компоненти

де відповідні осьові, радіальні й окружні нормальні напруги;

напруги зрушення в площині

Вектор зв'язаний з вектором законом Гука

де матриця пружності, обумовлена законом Гука.

Припускаючи, що матеріал, з якого виготовлені поршень і корпус гідроциліндра, є однорідним, безперервним і ізотропним, матрицю можна навести у вигляді:

,

де модуль пружності і коефіцієнт Пуассона матеріалу.

Після знаходження вектору деформацій через переміщення, а вектору напруг - через вектор , функціонал повної внутрішньої енергії має вигляд функції таких параметрів: :

де кількість вузлів у конструкції.

Умова екстремальності виражається в такий спосіб:

У кінцевому вигляді задача дослідження НДС корпуса і поршня гідро-циліндра зводиться до вирішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь

,

де матриця жорсткості конструкції;

вектор невідомих параметрів;

вектор навантажень.

Матриця позитивно визначена, стрічкова, високого порядку. Для вирішення системи рівнянь з такою матрицею застосовується модифікований метод Гауса.

Після вирішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь усі шукані функції (компоненти тензорів напруг і деформацій) визначалися через компоненти вектора відомими співвідношеннями теорії пружності.

Описана вище схема вирішення задачі реалізована у вигляді комп’ютерної програми.

Для дослідження впливу товщини стінки корпуса на його напружений стан одного з варіантів конструкції гідроциліндра (діаметр поршня 80мм) розраховані максимальні значення компонентів тензора напруг при варіюванні відношення величин внутрішнього Dвн. і зовнішнього Dзовнішн. діаметрів.

Аналіз результатів дозволив зробити висновок про доцільність вибору даного параметра в інтервалі 0,70-0,85.

Проведено розрахунок п'яти базових варіантів корпусів гідроциліндрів.

Аналіз картин розподілу компонент НДС дозволив зробити висновок відносно того, що працездатність корпуса гідроциліндру у всіх п'ятьох варіантах забезпечена зі значним запасом, а радіальні переміщення точок корпусів такі, що цілком компенсуються використаними S-образними ущільненнями.

Проведено розрахунок НДС поршня гідроциліндра (діаметр 80мм).

Аналіз результатів показав, що матеріал поршня працює в пружній зоні.

Таким чином, проведене теоретичне дослідження дозволило розробити рекомендації з вибору товщини стінки корпуса гідроциліндра; оцінити рівень НДС корпусів п'яти базових варіантів; оцінити рівень напруженого стану поршня гідроциліндра; зробити висновок відносно того, що конструкції гідроциліндрів, розроблені з урахуванням отриманих рекомендацій, мають необхідні характеристики міцності і твердості в діапазоні робочих навантажень.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням працездатності гідроциліндрів УЗМ.

Ціль експериментальних досліджень НДС елементів гідроциліндрів – перевірка й уточнення результатів теоретичних досліджень. Як метод для експериментального визначення полів напруг і деформацій у корпусі і поршні гідроциліндра обраний метод моделювання з використанням тензометрування. Тензодатчики активного опору наклеювалися на моделі гідроциліндрів, виконані з оргскла.

Використання методу аналізу рівнянь дозволило знайти відповідність між напруженим станом у моделях з оргскла та натурних елементів гідроциліндрів. Тензометричні виміри моделей досліджуваних об'єктів проводилися з використанням приладу ЦТМ-3, перемикача датчиків ПД-100М і електричних дротових тензометрів 2ПКБ-5-50.

У результаті проведених досліджень було встановлено:

· найбільш напруженою частиною конструкції корпуса гідроциліндра є його центральна частина;

· отримані в наслідок теоретичних досліджень рекомендації щодо вибору товщини стінки корпуса підтвердилися; вона мусить бути в інтервалі Dвн./Dзовнішн., тобто 0,7 - 0,93;

· оптимальне співвідношення між товщиною навантаженої полиці поршня та його діаметром лежить в інтервалі 0,08-0,1;

· матеріал корпуса і поршня досліджуваних гідроциліндрів у діапазоні робочих навантажень працює в пружній галузі.

Для дослідження НДС елементів гідроциліндрів у зонах концентраторів напруг при різних конструктивних параметрах використаний поляризаційно-оптичний метод фотопружності з “заморожуванням” деформацій у плоских та об'ємних моделях.

За результатами іспитів моделей кришок гідроциліндрів із замком кріплення отримані залежності впливу товщини навантаженої полиці b і радіуса виточень R на величини реальних напруг у натуральних конструкціях кришок гідроциліндрів УЗМ у небезпечній зоні.

Результати дослідження напруженого стану корпусів і поршнів гідроциліндрів УЗМ під дією внутрішнього тиску, що виконані на об'ємних моделях із застосуванням методу фотопружності та представлені у вигляді графіків, добре узгоджуються з результатами теоретичних досліджень.

Для визначення впливу матеріалу на зносостійкість рухомих елементів гідроциліндрів УЗМ та вибору оптимальної пари тертя досліджувалися термічно оброблені (HRCЭ 40–44) зразки, виготовлені із сталі марок 20Х, 40Х, 30ХГСНА, 30ХГСА.

Дослідження показали, що сталь марок 30ХГСНА і 40Х має велику і практично однакову зносостійкість та низький коефіцієнт тертя.

В наслідок проведених досліджень з урахуванням великої різниці у вартості цих сталей рекомендовано виготовляти гідроциліндри УЗМ зі сталі марки 40Х.

З метою раціонального вибору видів хіміко-термічної обробки, матеріалів покриття та методів їхнього нанесення на тертьові поверхні елементів гідроциліндрів було проведене порівняльне дослідження зносостійкості покриттів, отриманих такими методами, як азотування, гальванічне хромування, детонаційне напилювання механічної суміші порошку ВН20, конденсація з іонним бомбардуванням TIN у пару з контртілом зі сталі 40Х поліпшеної (HRCЭ 34-37) і стали 40Х азотованої (мікротвердість МПа).

На підставі проведених випробувань для системи, що направляє тертьові пари гідравлічних циліндрів УЗМ, встановлено, що направляючу частину штока поршню рекомендовано виготовляти з детонаційним покриттям, направляючу для штока частину корпуса гідроциліндра азотувати, внутрішню поверхню корпуса гідроциліндра – гальванічно хромувати.

Для визначення ресурсу й обґрунтування необхідності застосування S-образних еластомірних ущільнень замість кілець круглого перетину проведені прискорені ресурсні іспити ущільнень.

Отримана залежність ресурсів ущільнень у нормальному RH і форсованому Rф режимах при прискоренні іспитів по навантаженню, швидкості і температурі:

де коефіцієнт форсування ;

швидкість переміщення штока відповідно у форсова-ному і нормальному режимах;

тиск робочої рідини відповідно у форсованому і нор-мальному режимах;

температура робочої рідини у форсованому режимі.

Випробування проводилися на спеціальному стенді. Установлено, що при режимі випробувань з параметрами коефіцієнт форсування а ресурс S-образних ущільнень у три рази вище ресурсу кілець О-образного поперечного перерізу.

В п'ятому розділі представлені методика, результати виробничих іспитів і промислового впровадження розроблених УЗМ.

Мета виробничих випробувань - визначення впливу товщини стінки на ПДВ натурних гідроциліндрів у виробничих умовах, проведення порівняльного аналізу отриманих результатів з результатами, отриманими розрахунковим шляхом, визначення працездатності, ремонтопридатності й універсальності складальних одиниць УЗМ.

Виробничі вупробування натурних гідроциліндрів за визначенням впливу товщини стінки на їх НДС проводилося за розробленою методикою з застосуванням методу тензометрування.

Навантаження здійснювалося при тисках 10, 12 і 14 МПа. Натурні гідроциліндри з наклеєними тензодатчиками встановлювалися на фрезерному пристосуванні для обробки поверхні роз’єму корпуса. Випробування проводилися для гідроциліндрів з діаметром поршня 80 мм і товщинами стінок 3, 7 і 11 мм. Установлено якісний збіг результатів, отриманих теоретичним шляхом з результатами випробувань на моделях. Такі види робіт, як перевірка можливості застосування УЗМ для закріплення заготівок у пристосуваннях фрезерної, свердлильної і розточувальної груп, та визначення ремонтопридатності й універсальності складальних одиниць УЗМ, здійснювались шляхом доробки діючих пристосувань з ручним затиском і проектуванням нових, механізованих з установкою УЗМ. Аналіз роботи 1350 механізованих у такий спосіб пристосувань дозволив зробити висновок про правильний вибір геометричних параметрів, номенклатури деталей і складальних одиниць УЗМ. В результаті було встановлено, що широкий діа-па-зон зростаючих плавнорегульованих зусиль п'яти типорозмірів гідроциліндрів (1,37 - 38,46 кН) з ходом поршня 10 - 12 мм забезпечує можливість за рахунок застосування комплектів УЗМ механізувати 80-85% номенклатури верстатних пристосувань фрезерної, свердлильної і розточувальної груп в умовах виробництва бронетанкової техніки і, таким чином, підвищити продуктивність праці верстатників на 8 - 10%.

Промислові випробування механізованих пристосувань підтвердили високу працездатність УЗМ. При цьому на 5-10% скоротилася витрата металу при виготовленні елементів засобів механізації за рахунок використання раціональних конструктивних параметрів на 10-25% скоротилася трудомісткість і металоємкість механізованого оснащення за рахунок заміни ідентичних за зусиллями пневматичних циліндрів чи важільних пневмокамер складальними одиницями УЗМ; вивільнені устаткування і висококваліфіковані робітники, зайняті в інструментальних цехах виготовленням засобів механізації; на 50-70% скорочені втрати при списанні механізованої оснастки з УЗМ після удосконалювання чи зняття виробу з виробництва. Строки окупності витрат на придбання комплектів УЗМ складають від 0,8 до 1 року, а елементи засобів механізації мають термін служби не менше 10 років. Значно скоротився обсяг ручної праці, підвищена якість виготовлення деталей та загальна культура виробництва.

Впровадження отриманих результатів і практичних рекомендацій на 2-х підприємствах дозволило механізувати 1458 пристосувань і одержати економічний ефект, що становить 125,2 тис. грн.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу конструкцій верстатних пристосувань розроблені, досліджені і впроваджені у виробництво підприємств машинобудівного комплексу засоби механізації технологічного оснащення фрезерної, свердлильної, розточувальний груп, що дозволяють методом агрегатування компонувати різноманітні конструкції затискних пристроїв з обмеженого числа уніфікованих елементів, що відрізняються єдністю приєднувальних розмірів, матеріалів, точносних параметрів і багаторазово використовуваних у процесі виробництва.

2. Аналіз стану питання на підприємствах галузі і з літературних джерел показав, що використовувані в даний час пристосування фрезерної, свердлильної, розточувальний груп, у зв'язку з відсутністю економічно ефективних засобів механізації представлені, в основному, малоефективними ручними затискними пристроями, що викликає необхідність у використанні непродуктивної ручної праці у великих розмірах.

3. Запропоновано методику визначення напружено-деформованого стану базових плит і гідроциліндрів, що характеризують працездатність УЗМ. Отримані залежності рекомендується використовувати для визначення конструктивних параметрів базових плит корпуса і поршня гідроциліндрів з урахуванням еквівалентних напруг і загального напруженого стану конструкції.

4. Теоретично встановлено й експериментально методом фізичного моделювання підтверджено, що оптимальне співвідношення внутрішнього діаметру гідроциліндра Dвн. та зовнішнього Dзовнішн. знаходяться в інтервалі 0,7 – 0,93, а співвідношення товщини навантаженої полиці поршня та його діаметра знаходиться в межах 0,08 – 0,1.

5. У результаті експериментальних досліджень методом фотопружності з “заморожуванням” деформацій отримані залежності для визначення впливу товщини буртика b і радіуса виточень R на напругу в замку кріплення. Рекомендовані значення цих величин для гідравлічних циліндрів УЗМ із діаметром поршня від 32 до 80 мм: b = 5мм, R = 1 мм.

6. Уперше проведені прискорені ресурсні випробування S-образних ущільнень. Встановлено, що гарантований ресурс ущільнень S-образного перетину гідроциліндрів УЗМ складає 6 106 - 8 106 циклів, а прогнозований - 18 106 - 21 106 циклів, що в три рази вище ресурсу ущільнень О-образного перетину за ДСТ 9833-73.

7. Результати досліджень, отримані в роботі, дозволили розробити рекомендації з вибору матеріалів і режимів термічної обробки, установити норми точності і вимоги до ступеню жорсткості поверхні основних елементів УЗМ, що забезпечує термін їхньої служби не менше 10 років.

8. Економічна ефективність застосування УЗМ досягається за рахунок зниження витрат на їхнє виготовлення, експлуатацію і багаторазове використання при доробці або знятті оснащення з виробництва; скорочення трудомісткості проектування і виготовлення механізованих пристосувань; підвищення продуктивності праці верстатників.

9. Впровадження УЗМ на двох підприємствах дозволило механізувати 1453 пристосування, підвищити продуктивність праці верстатників на 10 – 12%, заощадити 54 т металу, зменшити трудомісткість проектування і виготовлення механізованого оснащення на 35 – 50%, одержати економічний ефект, що становить 125,2 тис. грн., що підтверджено актами впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жолткевич Н.Д., Мовшович А.Я., Спицкий А.Н. Некоторые вопросы создания межотраслевой системы ускоренной технологической подготовки производства (МС УТПП) новых видов изделий. // Високі технології в машинобудуванні. – Збірник наукових праць ХДПУ. –Харків. –1998. – С.104-106.

2. Спицкий А.Н., Ряховский А.В., Мовшович А.Я. Исследование напряженно-деформированного состояния базовых плит комплекта УСМ-12. // Авиационно-космическая техника и технология. – Труды Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. – 2001. – Вып. 25. – С.358-360.

3. Мовшович А.Я., Буденный М.М., Спицкий А.Н. Гибкие производственные системы и их место в интегрированной системе предприятий. // Резание и инструмент в технологических системах. – Межд. научно-технический сборник. –Харьков: ХГПУ. – 2001. – Вып. 59. – С. 167-170.

4. Спицкий А.Н., Ряховский А.В. Универсальные средства механизации переналаживаемой технологической оснастки. // Резание и инструмент в технологических системах. – Межд. научно-технический сборник. –Харьков: ХГПУ. – 2001. – Вып.60. – С. 212-216.

5. Спицкий А.Н., Мовшович А.Я., Ряховский А.В. Исследование, прочности и жесткости гидроцилиндров комплектов УСМ-12. // Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”: Сборник научных трудов. – Харьков. НТУ “ХПИ”. – 2001. – Вып.10. – С. 76-80.

6. Спицкий А.Н., Жолткевич Н.Д. Структурный состав и область применения унифицированных средств механизации технологической оснастки для гибких производственных систем (ГПС) // Високі технології в машинобудуванні. – Збірник наукових праць НТУ “ХПІ”. –Харків. –2001. – Вип. 1(4).– С.225-258.

7. Спицкий А.Н. К вопросу выбора оптимальной геометрии Т-образных пазов комплекта УСМ-12. // “Технологические системы”.- 2001г.-№ 4(10) - С.47-48.

8. Спицкий А.Н., Мовшович А.Я., Ряховский А.В. Исследование напряженного состояния замка крышки гидроцилиндров УСМ-12. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. – Сборник научных трудов. – Харьков. – 2001. – Вып. 26 (3). – С. 101-104.

АНОТАЦІЇ

Спицький Анатолій Миколайович “Розробка і впровадження комплекту універсальних засобів механізації переналагоджуваної технологічної оснастки”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю – 05.02.08 – Технологія машинобудування. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2001.

Дисертація присвячена розробці комплекту універсальних засобів механізації переналагоджуваного технологічного оснащення для прискореної технологічної підготовки виробництва й обґрунтування конструктивних параметрів базових елементів, що забезпечують раціональну міцність і твердість в умовах підприємств машинобудівного комплексу.

Дослідження показали, що найбільш навантаженими елементами комплекту є базові плити, гідравлічні циліндри та еластомірні ущільнення.

У результаті проведених досліджень за запропонованою методикою з застосуванням сучасних засобів обчислювальної техніки отримані математичні залежності для визначення різнопланових конструктивних параметрів базових плит, корпуса і поршня гідроциліндрів, що забезпечують необхідну твердість і міцність, з однієї сторони, і мінімальну металоємність, - з іншої, в діапазоні діючих навантажень.

Впровадження результатів досліджень на двох підприємствах галузі дозволило одержати економічний ефект, що становить 125,2 тис. грн.

Ключові слова: універсальні засоби механізації, технологічна підготовка виробництва, переналагоджуване оснащення, напружено-деформований стан, базові плити, гідроциліндр, еластомірні ущільнення.

Спицкий Анатолий Николаевич “Разработка и внедрение комплекта универсальных средств механизации переналаживаемой технологической оснастки”. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности – 05.02.08 – Технология машиностроения. – Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена разработке комплекта универсальных средств механизации переналаживаемой технологической оснастки для ускоренной технологической подготовки производства и обоснования конструктивных параметров базовых элементов, обеспечивающих рациональную прочность и жесткость в условиях предприятий машиностроительного комплекса.

На основании анализа конструкций технологической оснастки разработаны, исследованы и введены в производство универсальные средства механизации переналаживаемой оснастки, позволяющие методом агрегатирования компоновать различные конструкции зажимных устройств из ограниченного числа унифицированных элементов, отличающихся единством присоединительных размеров, точностных параметров, материалов и многократно используемых в процессе производства.

Исследования показали, что наиболее нагруженными элементами комплекта являются базовые плиты, гидравлические цилиндры и эластомерные уплотнения.

Для исследования напряженно-деформированного состояния базовых плит и гидроцилиндров разработана методика, являющаяся модификацией метода конечных элементов применительно к рассматриваемому классу деталей.

В результате проведенных исследований по предложенной методике с применением современных средств вычислительной техники получены математические зависимости для определения разноплановых конструктивных параметров базовых плит, корпуса и поршня гидроцилиндров, которые обеспечивают необходимую жесткость и прочность с одной стороны, и минимальную металлоемкость – с другой, в диапазоне действующих нагрузок.

Максимальные величины компонент тензоров напряжений не превосходят: для корпусов – 30%, для поршней – 40%, для базовых плит – 50% от величины допустимых напряжений для соответствующих материалов.

С целью проверки и уточнения результатов теоретических иссле-дований выполнен комплекс экспериментов, для чего предложена методика определения напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов с использованием следующих методов: моделирования на упругих тензометричних моделях и фотоупругости с “замораживанием” деформаций.

Установлено, что оптимальное соотношение внутреннего диаметра Dвн. гидроцилиндра и внешнего Dзовнішн. находится в интервале 0,7-0,93, а оптимальное соотношение толщины нагруженной полки поршня t и его диаметра находится в границах 0,08-0,1. Эти соотношения обеспечивают достаточно большую жесткость конструкции гидроцилиндра при уменьшении его металлоемкости.

Установлено, что напряжения в опасных сечениях базовых плит и деталей гидроцилиндров не превышают 200-300 Мпа, что составляет значительный запас по пределу прочности материалов конструкции и хорошо согласуется с теоретическими предпосылками.

В результате проведенного исследования износостойкости материалов для подвижных элементов комплекта УЗМ разработаны рекомендации по выбору материалов, режимов химико-термической обработки, норм точности и требований к шероховатости поверхности, обеспечивающих срок службы не менее 10 лет; установлен гарантированный ресурс S-образного сечения эластомерных уплотнений для гидроцилиндров УСМ, составляющий циклов.

Производственные испытания переналаживаемой оснастки с универсальными средствами механизации подтвердили высокую трудоспособность УСМ.

При этом на 5-10% сократился расход металла при изготовлении элементов УЗМ за счет рациональных конструктивных параметров, на 10-20% сократилась трудоемкость и металлоемкость за счет замены идентичных по усилиям пневмоцилиндров, на 10% повысилась производительность труда станочников при работе на механизированной оснастке.

Внедрение результатов исследований на двух предприятиях области позволило получить экономический эффект, который составляет 125,2 тыс. грн.

Ключевые слова: универсальные средства механизации, технологическая подготовка производства, переналаживаемая оснастка, напряженно-деформованное состояние, базовой плиты, гидроцилиндр, эластомерные уплотнения.

Anatoliy Nikolaevich Spitsky “Development and Introduction of a Complete Set of Universal Mechanization Facilities for Re-adjusting Machine Tools Attachments” - Manuscript.

This thesis stands for competition for candidate’s degree on a speciality - 05.02.08 – Technology ofmechanical engineering - National Technical University “Kharkov Polytechnical Institute”, Kharkov, 2001.

This thesis is devoted to working out of the universal mechanization facilities of the re-adjusting technological machine-tools, used for speeding up technological preparation of the рroduction and substantiation of the mechancal conditions for basic elements, ensuring rational strength and rigidity in the working conditions of the enterprises of the engineering complex.

Universal mechanization facilities have been designed, studied and introduced into рroduction on the base of examination of the constructions of technological machine tools. It gives possibility to arrange different design for clamping devices made out of limited quantity of unified components, that are distinctive of their joining unity of dimensions, precitions parameters, materials and repeatedly used in the рroduction process.

Production tests of the re-adjusting technological machine-tools with unified mechanization meats have confirmed high serviceaility of the universal mechanization facilities.

Introduction of researche results at two enterprises of an industry gives possibility to reseive efficiency in 125,2000UHR.

Keywords: universal mechanization means, technological рroduction preparation, re-adjusting machine tools, stress-and-strained condition, base slabs, hydraulic cylinder, elastomeric packing.

Відповідальний за випуск к.т.н. Роменський В.І.

Підписано до друку Формат видання 145х215

Формат паперу 60х90/16. Папір офсетний. Офсетний друк.

Об’єм 0,9 авт. арк. Тираж 100 прим. Зам. №

Редакційно-видавничий відділ