Брянск, Брянская область, Россия
УДК 629.4.023.14 Кузовы
УДК 624.078.8 Элементы жесткости
Рассматриваются конструкторско-технологические мероприятия на этапах проектирования, изготовления и сборки по обеспечению требуемых показателей надежности (долговечности) элементов пресс-форм. Приводятся рекомендации для нормирования и достижения параметров точности и качества сопрягаемых поверхностей с учетом формирования необходимых эксплуатационных свойств на основных этапах жизненного цикла изделия. Выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на обеспечение правильного и точного расположения формообразующих элементов. Представлена концепция определения фактической площади контакта, и расчета масштабного коэффициента, обеспечивающего уточнение величины контактных сближений сопрягаемых поверхностей. Обозначена гипотеза формирования показателей надежности с учетом технологических и технических возможностей производства с введением корректировки верхнего и нижнего отклонений размеров, входящих в размерные цепи и обеспечивающие установленные параметры точности замыкающего звена. Проведен анализ условий эксплуатации исследуемого типа элементов пресс-форм. Выявлены и проанализированы основные эксплуатационные свойства, обеспечивающие требуемую наработку на отказ формообразующих деталей. Особое внимание уделено исследованию конструктивных особенностей таких деталей, проведено сравнение цельной и сборной конструкции, а также, для наиболее перспективной последней, проведен расчет контактных напряжений при выполнении сборочной операции для моделирования величины контактных сближений. Это позволит для любого типа сборной формообразующей оснастки разработать практические рекомендации по нормированию основных механических свойств, показателей точности, включая допуски отклонений от правильной геометрической формы, и параметров качества поверхностного слоя на этапе проектирования, назначения методов и режимов обработки на этапах изготовления и контроля, а также предложить величину статического нагружения при сборке.
долговечность, качество поверхности, погрешности формы и взаимного расположения поверхностей, механическая и абразивная обработка, эксплуатационные свойства
Для обеспечения передачи как управляющих сигналов, так и требуемого питания на радиоэлектронные приборы применяют многоштырьковые соединители. Одним из основных этапов получения качественных соединителей является формирование диэлектрического корпуса и штекера с отверстиями для размещения контактов. От того, с какой точностью получены сопрягаемые при контакте поверхности, зависит важнейший показатель работоспособности таких элементов как стабильность контакта (рис. 1).
Элементы соединителей изготавливают методом спекания на термопластавтоматах.
В настоящее время на практике применяют два основных варианта изготовления элементов формообразующей оснастки: единое изделие, получаемое вырезкой на электроэрозионном оборудовании с последующей отделочной обработкой на профилешлифовальном оборудовании и на слесарных операциях ручной доводкой для достижения параметров точности и качества поверхностей (рис. 2, а), а также в виде сборной конструкции, состоящей из отдельных «знаков», формирующих элемент получаемой детали (рис. 2, б). Оба варианта имеют свои достоинства и недостатки. Сборная конструкция, в отличие от цельной детали, обеспечивает самые благоприятные условия для выхода воздуха при замыкании штампа, что положительно сказывается на качестве получаемой детали.
Показатели надежности формообразующей оснастки зависят от множества факторов (трение между формообразующими поверхностями, коррозии от высокой температуры и взаимодействия с агрессивной средой химических элементов) при которых происходит не только износ поверхностей формообразующих деталей, но и взаимное смещение их вершин. В результате чего происходит ухудшение качества поверхности изделия, увеличение параметров шероховатости, изменение размеров, следствием чего в детали образуются трещины, заливы материала в виде гребешков. Пресс-форма также выходит из строя из-за налипания и привара материала к формообразующим поверхностям, возникновению на них вмятин [1]. Указанные многочисленные дефекты делают невозможным дальнейшую эксплуатацию пресс-формы и требуют ее ремонта или замены на новую.
При проектировании сборной оснастки необходимо учитывать базовый принцип взаимозаменяемости – возможность быстрой замены вышедшего из строя знака на элемент, изготовленный по требованиям чертежа. Однако, учитывая высокие требования по точности расположения вершин знаков в сборочной единице, в производстве в основном применяют методы регулировки и пригонки сопрягаемых поверхностей. Данные методы выполняются вручную высококвалифицированным персоналом, что увеличивает стоимость работ до 80 % от стоимости всей формообразующей
оснастки [2].
Обеспечение точности расположения каждого звена в составе формообразующей оснастки является основной задачей в процессе сборочной операции. Трудоемкость сборочных работ обуславливается проявившимися погрешностями каждого звена, в связи с этим необходима оптимизация процесса сборки с учетом возникающих контактных взаимодействий для обеспечения точности сборки и снижения себестоимости выпускаемой
продукции.
Таким образом, технологическое обеспечение требуемых точности и качества формообразующей оснастки пресс-форм для сборочных операций с учетом влияния контактной жесткости и корректировкой параметров обработки и предельных отклонений при проектировании с последующим снижением трудоемкости выполненных работ является актуальной задачей [3].
Показатели надежности формообразующей оснастки пресс-форм оказывают основное влияние на получение качественной продукции. Главной особенностью применяемой оснастки для получения многоштырьковых разъемов является применение сборных конструкций, включающих набор отдельных элементов – знаков, установленных в корпус коробчатой конструкции.
Качество поверхности и вид соединения деталей играют большую роль в работе пресс-формы. Основным фактором, влияющим на качество изделия, является шероховатость поверхности. Обработка формообразующих поверхностей должна обеспечиваться с шероховатостью не более Ra = 1,0 мкм. Для уменьшения износа и для сокращения времени извлечения изделия, оформляющие поверхности формообразующих элементов подвергаются хромированию, и должны быть изготовлены с допуском не более 0,01 мм (рис. 3).
Для исследуемого объекта используется марка конструкционного материала
Сталь 95Х18 ГОСТ 103-2006. Данная марка соответствует основным критериям обеспечения долговечности при эксплуатации. Материал относится к группе легированных сталей мартенситного класса с высоким содержанием хрома. Изделие из данного материала устойчиво к воздействию химически агрессивных сред и абразивного износа.
Требуемую точность формообразующих поверхностей получают фрезерованием и электроэрозионной координатно-прошивочной обработкой. После предварительной обработки выполняются плоское, профильное и оптико-шлифование поверхностей. Чтобы достичь шероховатость поверхности порядка Ra = 0,1…0,15 мкм производится полировка рабочих поверхностей, требующих введение ручной обработки на слесарно-сборочных операциях.
Для сборной конструкции оснастки добавляется операция сборки, для которой требуется регламентировать как последовательность комплектования гребенки маркированными знаками, так и усилие закрепления всех элементов. В настоящее время на предприятиях решают эту задачу переходом от принципа взаимозаменяемости к формированию неразъемного соединения знака и корпуса сваркой
(рис. 4).
При выполнении сборки основным эксплуатационным свойством, влияющим на смещение вершин знаков, и, соответственно, формирующим показатели надежности узла является контактная жесткость [4]. Представляется целесообразным смоделировать процесс сборки с выявлением концентрации и распределения нагрузки от силового механизма
(рис. 5, а). Базовым допущением расчетной схемы вводим возможность анализа контактных деформаций в парах знаков с последующим суммированием (рис. 5, б).
Для этапов финишной обработки необходимо выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на формирование параметров точности (включая параметры макроотклонений) и качества контактирующих (базовых) поверхностей с целью определения и прогнозирования величины контактных деформаций в зоне стыка, что с учетом накопленных перемещений от первого знака к последнему позволит скорректировать предельные отклонения на исполнительные размеры [5]. В частности, в работах Суслова А.Г. приведены зависимости по расчету контактных перемещений для однократного и многократного
нагружения [6]:
В соответствии с
ГОСТ Р ИСО 4287-2014 «Геометрические характеристики изделий» и ГОСТ 24642-81, отклонение от плоскостности – это наибольшее расстояние от точек реальной поверхности до прилегающей плоскости в пределах нормируемого участка: следовательно, можно волнистость конструктора рассматривать, как часть отклонения от плоскостности. Коэффициент e зависит от наибольшего размера контактной поверхности l, а также от разности
допуска плоскостности Δ и наибольшей высоты волны волнистой шероховатой поверхности Wmax или по выше указанному ГОСТ –
параметр Rmax.
Расчетная модель поверхности с макроотклонением формы можно представить в виде шероховатого волнистого клина (рис. 6) шириной В, взаимодействующий с абсолютно жестким полупространством. Примем, тело клина абсолютно жесткое, а контактный слой, податливый и деформируемый согласно зависимости
[7]. Необходимо разделить понятие протяженной поверхности со своей моделью влияния отклонений от плоскостности и прямолинейности образующей, ограниченной пятью базовыми длинами (с учетом допущения требований по пространственным отклонениям деталей нормальной точности – не более 60 % от допуска на размер) (рис. 6, а) и более пяти базовых длин (рис. 6, б).
Первому случаю будет соответствовать модель контакта сопрягаемых поверхностей знаков между собой, а второму случаю – модель контакта знака с корпусом.
Тогда .
Формы профиля порождаются особенностями метода обработки поверхности. Поэтому в вопросах определения контактной жесткости первостепенную роль играют технологические методы обработки. Величины радиусов вершин микровыступов в разных сечениях детали оказываются различными и в весьма сильной степени зависят от расположения плоскости измерения по отношению к направлению следов обработки. При шлифовании радиусы закруглений в продольном направлении оказываются большими
в 10 – 100 раз, чем в поперечном, при
точении – в 10 – 30 раз, при фрезеровании и
строгании – в 5 – 20 раз. При полировании и доводке следы не имеют определенной ориентации. Для расчетов приходится усреднять величины радиусов [8].
В работе [9] представлена методика проведения размерно-точностного анализа деталей узлов с учетом влияния эксплуатационных свойств. На основе этого расчета представляется возможным расчет предельных отклонений размеров, обеспечивающих точность замыкающего звена и прогнозирование изменения размеров размерной цепи с учетом влияния условий сборки. Предполагается провести предварительный расчет коэффициентов kвнут и kвнеш, представляющих собой величины, определяющие значения эксплуатационных свойств контактирующих поверхностей с учетом параметров механических свойств материалов kвнут.и параметров качества поверхности kвнеш.
В соответствии с предложенным выше принципом представления дополнительных звеньев контактной жесткости в виде можно сделать следующие замечания:
– коэффициент передаточного отношения ck будет зависеть от конструктивного оформления сборки и положения сопряжений в ней;
– коэффициент kвнеш можно выделить из полученных выше зависимостях для соответствующих типов сопряжений (нагрузочно-скоростные характеристики, размеры сопряжений a, b, α0 и др.);
– коэффициент kвнут, который характеризует влияние внутренних факторов также присутствует в этих зависимостях в виде коэффициентов ki, определяющих особенности сопряжений (направление действия вектора силы, пространственное распределение волнистости и шероховатости).
Представленная методика позволяет непосредственно рассчитать коэффициент контактной жесткости, зная условия обработки [10]. Решение обратной задачи позволяет определить методы и режимы обработки, позволяющие обеспечить требуемые значения контактной жесткости. Все проведенные расчеты определяют коррекцию верхнего и нижнего отклонений размеров сопрягаемых деталей.
Для решения научной проблемы обеспечения установленных показателей долговечности и наработки узла на отказ при реализации этапов жизненного цикла изделия – проектирование, изготовление и сборка, требуется проведение расчетов весовых коэффициентов. Коэффициенты, включающие в себя механические свойства материала и параметры качества поверхностного слоя, позволят выполнить корректировку или определение допуска, верхнего и нижнего отклонений размеров размерной цепи, формирующей точность замыкающего звена. При этом основным критерием выбора и расчета показателей надежности узла является установление значимости влияния превалирующего эксплуатационного свойства в элементарном прототипе.
1. Федоров В.П., Нагоркин М.Н., Вайнер Л.Г. Методологические основы диагностики технологических систем металлообработки по параметрической надежности обеспечения заданного качества обрабатываемых поверхностей // Вестник Брянского государственного технического университета.2021. № 11(108). С. 49–63. DOIhttps://doi.org/10.30987/1999-8775-2021-11-36-50. EDN KCWBUK.
2. Польский Е.А., Никонов О.А., Митраков Н.С., Звягинцев Ф.Д. Технологическое обеспечение точности наукоемких сборочных узлов на этапах жизненного цикла // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. № 8-2. С. 328–335. EDN ZHTRKV.
3. Polsky E.А., Sorokin S.V., Shemenkov V.М. Technological support of joint reliability indicators taking into account complex formation of surface quality metrics and physical and mechanical properties of functional surface materials // Journal of Physics: Conference Series, Divnomorskoe, 31 мая 06 2021 года. Divnomorskoe, 2021. P. 052024. DOIhttps://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/5/052024. EDN DBQWMA.
4. Федуков А.Г., Хандожко А.В., Польский Е.А., Щербаков А.Н. Обеспечение точности станочных узлов на базе унифицированных модулей с учетом контактной жесткости стыков // Вестник Брянского государственного технического университета. 2019. № 3 (76). С. 51–59. DOIhttps://doi.org/10.30987/article_5c3db11190a975.91435272. EDN VXQNEC.
5. Суслов А.Г., Федоров В.П., Горленко О.А. и др. Фундаментальные основы технологического обеспечения и повышения надежности изделий машиностроения М.: Издательство «Инновационное машиностроение», 2022. 552 с. ISBN 978-5-907523-04-3. EDN DCEFZK.
6. Суслов А.Г., Федонин О.Н., Петрешин Д.И. Фундаментальные основы обеспечения и повышения качества изделий машиностроения и авиакосмической техники // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 2 (87). С. 4–10. DOIhttps://doi.org/10.30987/1999-8775-2020-2020-2-410. EDN OGAOCD.
7. Иванов А.С. Расчет Справочные контактной деформации при конструировании машин/ А.С. Иванов, В.В. Измайлов // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2006. № 8. С. 37–42.
8. Суслов А.Г., Федонин О.Н., Польский Е.А. Наукоёмкая технология повышения качества сборочных единиц машин на этапах жизненного цикла // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 5(59). С. 34–41. EDN VZJWYX.
9. Польский Е.А., Сорокин С.В. Повышение надежности изделий машиностроения за счет совершенствования точностного анализа размерных цепей // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 6 (132). С. 38–48. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2022-6-38-48. EDN FUGZAP.
10. Федоров В.П., Нагоркин М.Н., Смоленцев Е.В., Ковалева Е.В., Анализ процессов формирования микропрофиля поверхностей деталей машин на этапах обработки и приработки в условиях граничного трения // Транспортное машиностроение. 2023. № 9 (21). С. 24–36. DOIhttps://doi.org/10.30987/2782-5957-2023-9-24-36. EDN DWSBDH.
