Отработка конструкции на технологичность измерений

Отработка конструкции на технологичность измерений

Введение

При проектировании КИП приобретаются навыки и опыт их проектирования.

Цель данной работы - систематизация полученных знаний и выработка навыков обоснования принятых решений в аспектах точности, производительности, надежности, экономичности и этичности.

Главным требованием, которое предъявляется и должно быть учтено при проектировании КИП, является требование к форме выходной информации.

Обоснование необходимости создания КИП

В настоящее время контроль заданного параметра осуществляется на станке с применением индикатора часового типа, закрепленного на штативе, который устанавливается на направляющие станка. Данное средство контроля нельзя признать приемлемым из-за отсутствия жесткости измерительной системы и ряда других субъективных факторов.

Отработка конструкции на технологичность измерений

Контроль радиального биения размера Ф500h6 не вызывает каких- либо трудностей. Есть возможность соблюдать принцип совмещения баз.

Уточнение цели операции контроля и ее организационно - технических показателей

Выбор категории контроля (ГОСТ 14318-77).

Выпускаемая продукция по своим технико-экономическим показателям должна соответствовать современным требованиям действующих ГОСТ, ОСТ, ТУ. Такую продукцию относят к первой категории качества. Ограничимся 3-й категорией контроля.

Производство подобного класса деталей можно считать давно освоенным и устоявшимся. Поэтому принимаем нормальный режим контроля (ГОСТ 20736-75).

Установим следующие показатели операции контроля:

по объему - сплошной;

по времени - периодический;

по структуре - однократный.

В связи с тем, что размер на операции достигается точением на токарном станке с помощью настроенного на размер инструмента, а точность параметра соответствует IT6, измерению подлежат 100% изготовленной продукции. С учетом этого при выпуске запланированного объема продукции надлежит проверить 7500 деталей.

Выбор контрольных точек объекта измерения

Измеряемый параметр - радиальное биение Ф500h6 относительно поверхности Г характеризует отклонение от круглости, цилиндричности, соосности по отношению к базовой поверхности Г Ф460.8H7.

Информация о заданном параметре будет сниматься в контрольной точке А.

Рис. 1 - Контролируемая поверхность

За контролируемую поверхность принимаем 1 - наружную цилиндрическую. Определим количественно точностные параметры этой поверхности.

Точность размера

Как уже установлено, номинал контролируемого размера - Ф500, он должен соответствовать точности 6-го квалитета. Верхнее отклонение es=0, нижнее отклонение ei= -0.040, следовательно допуск IT=0.040 ГОСТ 25347-82.

Точность формы

Рассмотрим отклонение от круглости Ф500h6. Принимаем ф=0.008, что соответствует 4-й степени точности формы ГОТС24643-81.

Точность взаимного расположения поверхности.

В данном случае для нас может иметь значение отклонение Ф500h6 от концентричности к Ф460.8Н7. Ограничим его величину 40% поля допуска на размер.

= IT*0.4=0.016, что соответствует 4-й степени точности взаимного расположения ГОСТ 24643-81.

Степень шероховатости

Задана конструктором на чертеже Ra= 1.6 мкм.

Определение конструктивно-технологических особенностей контролируемой детали.

Радиальное биение Ф500h6 контролируется после окончания механической обработки детали. Деталь по конструктивным особенностям относится к телам вращения, по технологическим- к классу втулок. Масса детали- 10.7кг., материал- алюминиевый сплав АК6, цена за 1 тонну- 2440 грн. Данный сплав обладает высокой прочностью и вязкостью. Прочность при растяжении в 300Мпа, предел текучести т 200Мпа, относительное удлинение  8%.

Выбор схемы контроля

Из всей совокупности поверхностей, образующих деталь, претендовать на базовые могут две: цилиндрическое отверстие (Ф460.8H7), от которого задано биение и торец втулки Д. Этот выбор обусловлен возможностью совмещения конструкторской и технологической и измерительной базы, определяющих размер Ф500.

Проведем уточнение и анализ точностных параметров этих поверхностей.

Точность размеров

Диаметр отверстия Ф460.8, степень точности IT7. Нижнее отклонение- EI=0, верхнее- ES=+0.063. Величина допуска IT=63мкм ГОСТ 25347-82.

Точность формы

Рассмотрим возможные отклонения формы базового отверстия, которые могут оказывать влияние на точность положения детали при измерении. Отклонения от круглости - овальность и огранка, отклонения профиля продольного сечения- конусообразность, бочкообразность, седлообразность. Поскольку чертеж особо не оговаривает отклонения формы, то они ограничиваются полем допуска на размер диаметра ф=63мкм. Отклонение формы торца Д принимаем ф=87мкм, оговорив недопустимость вогнутости. Величина допуска и интервал размера дают возможность отнести такое отклонение к 9 степени точности ГОСТ 24643-81.

Точность расположения

В связи с тем, что в чертеже нет ограничений на отклонения расположения базового отверстия Ф460.8Н7 и торца втулки Д допуск на торцевое биение принимаем соответствующим 9 степени точности = 60мкм. Допуск на радиальное биение Ф460.8Н7 относительно геометрической оси детали = 30мкм, что соответствует 5-й степени точности.

Степень шероховатости

Конструкторские значения степени шероховатости для отверстия Ra=1.6мкм, для торца Ra=6.3мкм.

Выбор и обоснование схемы базирования

Составляем таблицу точностных параметров базовых и контролируемой поверхностей. Он позволяет принять обоснованное решение о пригодности рассматриваемых поверхностей в качестве базовых.

Оценивая точностные данные, приходим к выводу, что качество базовых поверхностей не обеспечивает заданную точность положения контролируемой детали в процессе контроля.

Таблица 1 - Точностные параметры поверхностей

На рисунке 2, на котором представлена схема базирования, видно, что торец, установленный на плоскую поверхность является установочной базой и лишает деталь трех степеней свободы: 1,2,3. Отверстие Ф460.8, надетое на разжимную оправку, является двойной опорной базой и лишает деталь двух степеней свободы: 4,5.

Для более глубокого понимания механики налагаемых на деталь связей изобразим схему координат, по которым будет перемещаться деталь, в соответствии с рассмотренной ранее схемой базирования.

Если теперь построим таблицу жестких односторонних связей, увидим, что деталь лишена 9 односторонних связей (x, x’, y, y’, z’, wx, wx’, wy, wy’) и осталось только 3 (z, wz, wz’). Поскольку выбранная схема базирования позволила совместить технологическую и измерительную базу для измеряемого параметра, то

Рис. 3

Выбор и обоснование схемы закрепления

Закрепление контролируемой детали необходимо для фиксации базирования. В качестве механизма закрепления применим гидропластмассовую оправку, которая позволит получить высокую точность базирования и минимальную погрешность закрепления. Следовательно .

Контроль заданного параметра будет проводиться на участке ОТК, расположенном на выходе процесса изготовления детали. Отсюда следуют выводы о благоприятных условиях эксплуатации КИП. Температура в рабочей зоне t= 20°±5°С ГОСТ 12.01.005-75. Относительная влажность воздуха фн 80%. Атмосферное давление - Рат=86...106Кпа; скорость движения воздуха - Vв 0.5 м/с. Частота вибраций, вызываемая станками - f= 20-30 Гц. Основным фактором, определяющим работоспособность зрения, является освещенность. Освещение стола контроля ОТК принимаем 1000 люкс. Возможно измерение деталей, не остывших после обработки. Их температура может достигать 50°С.

Наличие в воздухе абразивных и корродирующих элементов обязывает конструктора предусмотреть конструктивно- технические мероприятия по защите КИП от влияния окружающей среды, мешающей нормальному функционированию.

Составление перечня частных функций, которые следует реализовать в КИП. Определение структуры потока функций

Из перечня функций, которые реализуются в КИП, составим набор функций, которые необходимо осуществить, чтобы стала возможной операция контроля:

) установка (снятие);

) базирование;

) настройка;

) объединение;

) прием информации;

) передача и преобразование информации;

) выдача (отображение) результатов измерения;

) отвод и подвод средства измерения.

Задаемся продолжительностью реализации частных функций: tф1=10с; tф2=6с; tф3=0; tф5=15; tф6=15с; tф7=15с; tф8=5с.

Если принять структуру потока функций такой, как показано на рисунке 5, то продолжительность операции измерения радиального биения

 tф= tф1+tф2+tф8+tф5+tф8’+tф2’+tф1’=10+6+5+15+5+6+10= 57с.

 tф=57с.

Рис. 4

Выбор и обоснование метода измерения

Из возможных альтернатив прямого и косвенного метода отдаем предпочтение прямому, поскольку его проще произвести при контроле радиального биения Ф500. При этом нет необходимости в пересчете размера и получаемая точность вполне достаточна для проверяемого допуска.

Выбирая контактный или бесконтактный способ, склоняемся в пользу контактного. Это обусловлено тем, что прочностные характеристики материала детали довольно высокие и контролируемая поверхность без смятия и деформаций может воспринимать незначительное измерительное усилие.

Для обеспечение точечного контроля принимаем наконечник сферической формы при радиусе не менее 5 мм. Наконечник типа НР имеет твердосплавную вставку (ГОСТ 11007-66).

Учитывая незначительную твердость контролируемой поверхности и величина измеряемого параметра 30 мкм, геометрические параметры вставки ориентировочно назначаем измерительное усилие 0.5Н. В таком случае ожидаемая погрешность от измерительного усилия определится по формуле Герца: 0.2 мкм;

Деталь будет контролироваться динамическим методом для распространения контроля на всю цилиндрическую поверхность.

Вертикальное расположение детали позволяет обойтись зажимным устройством с минимальной силой.

Из двух возможных методов - абсолютного и относительного - отдаем предпочтение относительному, так как он представляет более широкие возможности для различных конструктивных решений, позволяет осуществить более точные измерения. Настройка КИП на размер будет осуществляться с помощью эталонной детали, допуск на изготовление размера 500 принимаем э= 1 мкм.

Останавливаем свой метод на пассивном методе контроля так как контроль производится на стадии приемки изделия.

Продолжительность операции обработки детали на чистовой операции 44.1 минуты. Устанавливаем время на контрольную операцию 5 минут. Такая продолжительность контроля не требует высокого уровня механизации, так как может быть осуществлена вручную на простом измерительном устройстве без существенных энергетических затрат со стороны рабочего.

КИП должен иметь шкальное отсчетное устройство, которое обеспечивает достаточную точность отсчета без чрезмерного напряжения зрения.

Принимаем механический принцип преобразования измерительной информации. Это решение предопределено в значительной мере контактным методом контроля. В его пользу говорит большой арсенал технических средств, прошедших многолетнюю апробацию на точность и надежность работы непосредственно на рабочих местах и контрольных приспособлениях.

Выбор и обоснование средства измерения (СИ)

Выбор средства измерения начинаем с определения оптимальных метрологических, эксплуатационных и надежностных характеристик, которыми должно обладать СИ.

Допускаемая суммарная погрешность измерения КИП находится как часть допуска IT контролируемого параметра /изм/=К*IT, где К зависит от квалитета или степени точности контролируемого параметра и может принимать значение от 0.2 до 0.35. Для IT6 принимаем К= 0.3,

/изм/= 0.3*0.03= 0.009

Определяем допустимую погрешность средства измерения (инструментальную погрешность):

/ин/= 0.7 * / изм/,

/ин/= 0.7 * 0.009= 0.0063.

Цена деления определяется в зависимости от величины допустимой инструментальной погрешности СИ.

Принимаем /С/ = / ин/ = 0.009.

Интервал деления шкалы /а/ берем 2 мм, поскольку меньшее расстояние между соседними штрихами может затруднить считывание показаний СИ. Здесь необходимо учитывать условия, в которых будет работать КИП, и прежде всего освещенность.

Предел измерений средства (диапазон измерений) определяется условиями эксплуатации. Принимаем /Б/ = 1.

Измерительное усилие Рус обуславливается характером контролирующих поверхностей при измерении, жесткостью контролируемой поверхности, величиной допуска измеряемого параметра. Поскольку ограничения на него накладываются физическими свойствами материала, то принимаем / Рус /= 500сН.

Основным нормируемым показателем надежности СИ является наработка t(P) до первого отказа при вероятности безотказной работы Р. В соответствии с ГОСТ 23642-79 оговорим количество циклов измерений, обеспечивающее заданное количество контрольных операций (смотри выше). (P)= 7500 циклов.

Вероятностью безотказной работы зададимся /Р/=0.85, исходя из возможностей измерительных средств, выпускаемых инструментальной отраслью машиностроения.

Исходя из установившихся цен на контрольно- измерительные средства отечественного и зарубежного производства, установим затраты на приобретение СИ: /Ц/=50грн.

Поиск СИ по заданным ограничениям

После того, как известны допустимые значения по метрологическим, эксплуатационным и надежностным показателям, можем приступить к поиску СИ. Приемлемым считается СИ, значения характеристик которого находятся в таком соотношении с допустимыми:

Осуществляем поиск СИ по таблицам рычажно-зубчатых измерительных головок. Наиболее близким по показателям является индикатор часового типа ТЕЗА модели №14.10801, у которого следующие параметры:

ин=0.0005;С=0.001;А=1;Б= 2.2;

Рус=0.5Н;Рус=0.04Н;t(P)=500000;Р=0.95;

Ц= 25 грн.

Сопоставив эти значения с допустимыми (расчетными), приходим к выводу, что заданные условия точности, надежности и экономичности соблюдаются.

Другие СИ обладают такой же точностью, но имеют меньшее расстояние между отметками шкалы. Поэтому для нашего КИП наиболее подходящим считаем индикатор часового типа модели №14.10801 (завод- изготовитель «ТЕЗА», Швейцария).

Эскиз выбранной рычажно-зубчатой головки представлен на рисунке 5.

Рис. 5

Эскизное проектирование КИП

Составление структурной схемы КИП

В процессе контрольной операции в приспособлении реализуются следующие частные функции:

) базирование и закрепление измеряемой детали;

) установка и закрепление КИП;

) прием, передача и преобразование измерительной информации;

) перемещение СИ из установочной в рабочую позицию;

) объединение функциональных узлов (корпус).

Разработка кинематической схемы КИП

На схеме нам необходимо изобразить в упрощенном виде основные механизмы (функциональные узлы) КИП. Она также должна давать понятие о характере перемещения, предельных положениях, видах связей (рисунок 6).

Рис. 6 - Кинематическая схема КИП

Разработка эскизной компоновки КИП

Решение о компоновочной схеме появляется как результат обработки информации, полученной на различных этапах проектирования КИП. Наиболее удобной для наших конкретных условий является вертикальная схема компоновки, представленная на рисунке 9. Она обеспечивает компактность и жесткость приспособления. Достигается удобство установки детали на измерительную позицию. Обеспечивается самый короткий путь прохождения сигнала от точки измерения до шкалы, что является залогом простоты и точности. Кроме того данная схема компоновки позволяет придать конструкции технически целесообразный, а значит, эстетический вид.

Рис. 7 - Эскизная компоновка КИП

Разработка эскиза функционального узла

Из пяти частных функций, которые надлежит реализовать в проектируемом КИП интерес представляет установка и закрепление детали, установка и закрепление СИ, обеспечение динамичности контроля.

Рассмотрим технические решения, реализующие функцию 1.

Предлагаем базировать и закреплять деталь используя Гофрированные втулки. В этом случае мы обеспечим высокую точность установки и вместе с тем малые затраты на установку и закрепление т.к. установочная поверхность втулки является одновременно и зажимающей.

Рассмотрим технические решения, реализующие функцию 3.

Для вращения детали устанавливаем оправку на шариковые подшипники, позволяющие получить высокую точность центрирования и минимальное радиальное биение ввиду отсутствия зазоров между телами качения и беговыми дорожками.

Рассмотрим технические решения, реализующие функцию 4.

Проведя анализ технических решений, позволяющих реализовать перемещение СИ на измерительную позицию склоняемся в пользу осуществления этой функции путем вращательного движения. В его пользу говорят простота реализации, более высокая технологичность изготовления направляющих вращательного движения. Современные приборы требуют применения направляющих с трением качения и сравнения технико- экономических показателей направляющих вращательного и поступательного движения. Сопоставление этих показателей выявляет преимущества направляющих вращательного движения.

Определение точности изготовления и сборки разработанных функциональных узлов.

Рассмотренные функциональные узлы 1, 3, 4 являются звеньями размерной цепи. Стабильность их положения определяется точностью изготовления и сборки. Причиной погрешности положения чаще всего являются зазоры, технологические погрешности изготовления, недостаточная жесткость элементов размерной цепи, износ сопрягаемых деталей.

Рассмотрим возможные искажения положения измерительных наконечников, обусловленных зазорами и технологическими допусками.

Выделим следующие погрешности положения измерительного наконечника.

Неперпендикулярность оси СИ к оси детали, обусловленная зазором в сопряжении и действием измерительного усилия, прилагаемого вдоль измерительного наконечника. Как видно на рисунке 10 перекос осей на величину Zр.макс= 6 мкм при равенстве расстояний l1= l2 вызывает соответственную погрешность 6 мкм. Фиксирующий штифт и пружинный натяг будут убирать эту погрешность. 2=0.

Расчет фактической суммарной погрешности КИП

,

где Е- погрешность положения контролируемой детали в приспособлении она определяется по формуле

,

здесь Еб- погрешность базирования, в нашем случае она равна 0;

Епр- неточность изготовления элементов приспособления, участвующих в формировании размерной цепи. определяется квадратичным суммированием элементарных погрешностей, вызванных как неточностью деталей для установки СИ, так и для базирования и закрепления объекта контроля. Некоторые из них мы рассматривали выше:

=0; =0;=0.005; =0.

Найдем элементарные погрешности изготовления установочных элементов приспособления.

р- погрешность передаточного устройства. Поскольку в конструкции нашего КИП передаточное устройство отсутствует, то р=0;

э- погрешность изготовления эталонной детали принимаем

э= 5 мкм;

ин- погрешность выбранного средства измерения ин=0.5 мкм;

ус- погрешность, вызываемая измерительным усилием за счет контактной деформации.

, мм

где Рус- измерительное усилие, Н;радиус измерительного наконечника, мм r=2.5мм;

= 0.2 мкм;

t- погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды;

,

где l- размер измеряемого объекта, l=500;

а- коэффициент линейного расширения, для алюминиевого сплава АК6

Возможный перепад температуры - 5°, в таком случае

t= мм - что больше поля допуска контролируемого параметра, поэтому принимаем t=0.001, проводя поднастройку КИП по эталонной мере при изменении температуры среды.

Подставив найденные значения элементарных погрешностей получим

=

= 0.0058+0+0.001+0.0005+0.001+0.0002=0.0085.

Сопоставив фактическую суммарную погрешность Екип с допустимой

/изм/=0.009, делаем вывод о том, что необходимое условие точности соблюдается:

Екип= 0.0085 < 0.009=/ изм/

Определение влияния погрешностей измерения на результаты контроля

измерение эскизный проектирование погрешность

Определим удельный вес суммарной погрешности в допуске изделия при IT=0.03, / изм/=0.009:

 или 30%.

При разбросе размеров при обработке на токарном станке в пределах 0.035 (6=0.035)

max=.

В нашем случае как контролируемый параметр так и погрешность измерения подчиняются нормальному закону распределения. Поэтому процент неправильно принятых деталей m, неправильно забракованных n, а также относительную величину выхода размера за границу IT определим следующим образом:

Для этого сначала определим

Из графиков находим, что количество неправильно принятых деталей m=0.5%, т.е. из 5000 проверенных деталей- 25, количество неправильно забракованных деталей n=1.8%, т.е. из 5000 - 90 деталей. Относительная величина выхода размера за границу поля допуска

.

Предельный выход размера за границу поля допуска С=0.04*0.03=0.0015.

Технико-экономический эффект от применения КИП новой конструкции

Внедрение новой конструкции КИП позволит снизить количество ошибочно забракованных и ошибочно принятых деталей, что уменьшит производственные расходы. Также уменьшится время контроля, что приведет к снижению затрат на заработную плату контролеру.

Устройство и принцип действия КИП

Закрепленная в корпусе 9 втулка 5 несет стойку 15 с кронштейном 10, в котором закреплена штанга 16 с индикатором 29. Подвод, фиксация положения и отвод индикаторов обеспечиваются подпружиненным механизмом (пружина 14) со штифтом 27. Штанга 16 зажимается в кронштейне 10 с помощью винтов 21.

В правой части корпуса 9 закреплена втулка 6. Вращение сбазированной по оправке и закрепленной детали осуществляется с помощью радиально- упорных подшипников 30,31. Регулировка подшипников осуществляется с помощью кольцевой гайки 24.

После установки детали наконечник индикатора доводится до расчетной точки контакта, наконечник вступает в контакт с деталью и контролер считывает показания со шкалы индикаторов.

Результаты измерения служат основой для принятия решения о регулировании хода техпроцесса.

В начале каждой смены контролер проверяет работоспособность КИП с помощью эталона на размер 500h6.

Прибор следует хранить в помещении с нормальными условиями: температура 18..24°C, влажность 80%.

Список литературы

1. Методические указания по оформлению текстовых документов / Сост. Ю. В. Хмельницкий.- Сумы СумГУ, 1997.-42 с.

. Станочные приспособления: Справочник /Под ред. Б.Н. Вардашкина, В.В. Данилевского. - М.: Машиностроение, 1984.-Т.2.-685с.

. Методические указания к выполнению контрольной работы по курсу «Проектирование контрольно-измерительных приспособлений» /Сост. Г.С. Чумаков. - Харьков: ХПИ, 1990.-56 с.

. Методические указания к практическим занятиям «Уточнение цели контрольной операции и задачи конструирования» по курсу «Контрольно-измерительные приборы» / Сост. В.Г. Евтухов. - Харьков: ХПИ, 1987. - 16 с.

. Справочник технолога машиностроения :В 2 т. /Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова.-3-е изд., пераб. -М.: Машиностроение, 1986.-496с.

. Методические указания к практическим занятиям «Поиск и обоснование методов измерения» по курсу «Контрольно-измерительные приборы» /Сост. В.Г. Евтухов. - Харьков: ХПИ, 1987.-16с.

. Методические указания к практическому занятию «Выбор средств измерения и его обоснование» по курсу «Контрольно-измерительные приборы» /Сост. В.Г. Евтухов. - Харьков: ХПИ, 1989.- 20 с.

. Методические указания к практическому занятию «Эскизное проектирование КИП» по курсу «Контрольно-измерительные приспособления» /Сост. В.Г. Евтухов. - Харьков: ХПИ, 1989.-16с.

. Альбом контрольно-измерительных приспособлений: Учебное пособие для вузов / Ю.С. Степанов, Б.И. Афонасьев, А.Г. Схиртладзе, А.Е. Щукин, А.С. Ямников./Под общей ред. Ю.С. Степанова.- М.: Машиностроение, 1998.-184 с.

. Бастраков В.М. Метрологическое обеспечение проектирования и изготовления изделий. - Йошкар-Ола: МарПИ, 1993.-72с.

. Машиностроение. Энциклопедия. - М.: Машиностроение. Измерения, контроль, испытания и диагностика. Т.3 /Под общ. ред. В.В. Клюева.-1996.-464 с.