CC BY
24
УДК 658.512.011.56:621.713.1
В. И. Цыпак, Г. В. Русецкая, О. Ю. Ященко
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОСТАНОВКИ ЛИНЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ
Рассмотрено влияние метода простановки линейных технологических размеров на качество размерных связей технологического процесса изготовления детали. Выбор рациональной простановки линейных технологических размеров предлагается осуществлять путем оптимизации на основе размерных коэффициентов.
Введение
В машиностроении известны три метода простановки линейных размеров (МПЛР) на рабочих чертежах: цепной, координатный и комбинированный, преимущества и недостатки которых показаны в [1]. Конструктор, выбирая МПЛР детали, руководствуется, прежде всего, соображениями служебного назначения определенных поверхностей, исходя из требований конструкции механизма, составной частью которого является деталь. МПЛР обусловлен схемами сборочных размерных цепей, в которых участвуют размеры конкретной детали.
Во многих случаях МПЛР на чертеже детали технологи переносят на чертеж заготовки, операционные эскизы и схемы настроек, обусловливая этим необходимость использования конструкторских баз в качестве технологических.
Размерный анализ технологических процессов (ТП) показал, что на качество размерных связей ТП [2, 3] по-разному влияют МПЛР: цепной метод обусловливает низкие показатели качества размерных связей, а координатный - высокие. Однако при проектировании ТП не следует отрицать цепной МПЛР и при этом использовать только координатный. На этапе проектирования ТП важно найти наиболее рациональную схему простановки линейных размеров. Решение этой задачи связано с учетом требований надежности базирования и крепления заготовки, удобства настройки инструментов и измерений (контроля) настроечных и технологических размеров, а также обеспечения качества размерных связей ТП. Для реализации этой задачи находят компромиссное решение путем оптимизации - выбора лучшего варианта комбинированной простановки размеров.
Цель работы - показать возможные пути оптимизации простановки линейных технологических размеров, обеспечивающих высокое качество ТП.
2 Критерии оптимизации
Критерием оптимизации простановки технологических размеров приняли качество размерных связей ТП, которое отражается в размерных коэффи-
циентах [2, 4]. Анализ значений этих коэффициентов показал, что они адекватно реагируют на изменения, как в схеме базирования, так и на метод (вариант) простановки технологических размеров.
Размерные коэффициенты, принятые критериями выбора рационального варианта, следующие:
Коэффициент Км , который показывает часть малозвенных размерных цепей в суммарном количестве размерных цепей ТП. Коэффициент КМ определяется по формуле:
Км -
т + к
(1)
где т - количество малозвенных размерных цепей, в которых составляющих звеньев п < 4 ; к -количество многозвенных размерных цепей, в которых составляющих звеньев п > 5 .
Коэффициент среднего числа составляющих звеньев в технологических размерных цепях ТП:
^ -
N у I + р
(2)
где Му - суммарное количество составляющих звеньев в размерных цепях ТП; I - количество технологических размеров , получаемых при механической обработке; р - количество размеров заготовки Зд ; I + р - т + к - суммарное количество размерных цепей ТП.
Коэффициент базирования КБ характеризует уровень соблюдения принципов единства и постоянства технологических баз в ТП:
К Б - 1 -
БН у
(3)
где БН у - количество торцевых поверхностей (вертикальных линий на размерной схеме ТП), исполь-
т
в
© В. И. Цыпак, Г. В. Русецкая, О. Ю. Ященко, 2007
- 46 -
зуемых в качестве настроечных и/или измеритель -ных баз; в - количество вертикальных линий на размерной схеме ТП.
Следует заметить, что об улучшении качества размерных связей ТП свидетельствуют: уменьшение коэффициента в сравнении с коэффициентом первого (базового) варианта простановки технологических размеров и увеличение коэффициентов КМ и КБ , т.е. чем меньше значение N3 и чем больше значения КМ и КБ , тем более рационально проставлены технологические размеры, тем выше качество ТП.
Чем больше составляющих звеньев (особенно размеров заготовки) входит в технологическую размерную цепь, тем больше допуск замыкающего звена - конструкторского размера или припуска, что, естественно, негативно влияет на качество ТП, т.к. увеличивает вероятность технологических отказов [4]. Поэтому при оптимизации простановки технологических размеров следует учитывать показатель количества размеров заготовки в одной размерной цепи. Такими показателями приняты: Р3<2 - количество размерных цепей, в которых составляющими звеньями являются не более 2-х размеров заготовки; Р3>3 - количество размерных цепей, в которых 3 и более размера заготовки.
Статистические наблюдения показали, что простановка линейных технологических размеров, как на чертежах заготовок, так и на операционных эскизах и схемах настроек в большинстве ТП - комбинированная, с преобладанием координатного метода. Поэтому оптимизацию простановки размеров проводили в пределах комбинированного метода. Разрабатывали несколько вариантов. По каждому варианту определяли размерные характеристики (показатели) ТП и соответствующие коэффициенты, а затем с учетом удобства базирования и крепления заготовки, настройки технологической системы СПИД осуществляли выбор наиболее целесообразного варианта.
3 Результаты оптимизации и их обсужде-
ние
Непосредственным поводом для решения задачи оптимизации явилась цепная простановка линейных размеров заготовки в базовом варианте ТП изготовления вала первичного (рис. 1, рис. 2, а), которая затрудняла выявление технологических размерных цепей и обусловила в размерных цепях в качестве составляющих звеньев от 2 до 7 размеров заготовки [2].
С целью оптимизации рассматривали ТП вала первичного с 4-мя вариантами простановки линейных размеров заготовки (см. рис. 2, табл. 1):
I вариант - базовый (заводской) - цепной метод; II - координатный; III - комбинированный с двумя координатными поверхностями; IV - комбинированный с тремя координатными поверхностями.
Получение необходимой информации для выполнения оптимизации осуществляли путем размерного анализа 4-х указанных вариантов (рис. 2, а-г). При этом строили размерную схему ТП, которая дает возможность установить для заготовки и исследуемых вариантов ТП ранее обозначенные ха -
рактеристики: p, m , k , l, в , Ns , БН2. Рассчитанные по соответствующим формулам (1-3), значения коэффициентов оптимизации приведены в табл. 1.
В качестве примера (эталонного образца), используемого при оптимизации, в табл. 1 приведены соответствующие размерные характеристики и значения коэффициентов для двух вариантов простановки технологических размеров механической обработки втулки (рис. 3), имеющей только 2 линейных (длиновых) размера. Коэффициент КМ в двух вариантах остался неизменным. А коэффициенты NS и КБ существенно изменились. Что объясняется, прежде всего, количеством поверхностей, используемых в качестве технологических баз. Если в I варианте в качестве технологических баз использовано 4 поверхности, то во II - только 2. Это обусловило простановку технологических
Рис. 1. Эскиз вала первичного
Таблица 1 - Размерные характеристики и коэффициенты, полученные при размерном анализе ТП с различной простановкой технологических размеров
'ЕЗУСТ £.7 1 " > ." ■ 7/ ' / ' "йюй ¿5' :;/Я '
Ж VI Ш '.к о; о ' / ■■ вд \>
ш Г1 р I; г ь М; Щ; Г^ ЖС.О/, "МКПЕ О.И/ ЖЗ^ЯЗО:; якмй/ '»-.ж . " щ
2 «ютну г:' 1' 9 о и ■/ * /V и 22 / 2 Л и 2/" 0,5
Ч.у* «с- % <М,й,' С СО
2 «ига.' >:" л ** ■/ ' Л Л/ '.8 2 2 Л X/ СМГ9.' а " 2,0 С ^
Ш.1-'- 6 дауё - ¡езсж: : " я 'жвй. ах /«V .8 о -о '9 79 С 5 <ОУЙ' /•зек » " п ткв&.щ^г::::*«* да. о с 0,75?, 3,29 0,6
" У - 3
«мга.' г;' у:" 2/ Л и *8 25 5 6 л и <СУЙУ. '•ЗСЖ > " с " Л 2,У С ^
зз ок 3* // ¡>3 ЗУ з 8 акта«/ ж/ с« 0,596 3,923 0,7736
£ «лга.' £-' 1' / / 50 '05 9 8 и 0,9555 2.ЖУ 0,82
1 ом/6' »" о • 2 х окая а?;?," 35 39 '22 '2 § V жуй' у~м к. I." 0,7'5 2,5 0,765
..у £ дай' . " «'3 х г 35 у '23 "}, 7 :ЖУ.Й' ! 1 0,723 2,6.7 0,765
размеров в I варианте комбинированным методом, а во II - координатным. Во II варианте меньшее
количество составляющих звеньев в размерных цепях, о чем свидетельствуют значения коэффициентов и КБ , которые улучшились соответственно на 22 % и 25 %.
Аналогичные результаты показал анализ значений размерных коэффициентов двух вариантов ТП ступенчатого вала [3], (табл.1). В первом - базовом варианте ТП технологические размеры проставлены комбинированным методом, а во втором - координатным, что повлияло как на суммарное количество составляющих звеньев в размерных цепях ТП, так и на значения размерных коэффициентов. Коэффициенты показали улучшение качества ТП
соответственно: КМ на 22%, N3 на 30%, КБ на 25%.
Анализ результатов оптимизации простановки технологических размеров вала первичного (рис. 1, рис. 2 и табл. 1) показывает:
I - базовый вариант ТП. Общее количество технологических размеров, а соответственно и общее количество размерных цепей 52, из которых 31 размерная цепь - малозвенная (п < 4). Многозвенных размерных цепей 21, из них 15 размерных цепей 5-ти звенных, а остальные - 6-9 и даже 15-ти звенные. Размерных цепей с размерами заготовки 10, из них только 2 имеют 1-2 размера заготовки, а 8 имеют 3 и более. При этом 3 размерные цепи имеют по 7 размеров заготовки. Следует
35
о!
öl
36 37 , 38 31 32 Зз 34
1 [I ' I II
32 1 31 35 Зб
Зз
37
38
32 37
3t 35 1
31 33 34
Г рг
1 1 1
32 33 34 : J1 35 Зб 37
38
Рис. 2. Эскиз заготовки вала первичного с вариантами простановки линейных размеров: а - I - базовый - цепной метод; б - II - координатный метод; в - III - комбинированный метод с 2-мя координатными поверхностями; г - IV - комбинированный метод с 3-мя координатными поверхностями
ОПс-ОЦИЯ 1
а
У У / //// ■(///А
ш
У///А
^=25+0,26
- 0 -0,06
Операция
Операция 3 I вариан- II вариант
ЪЖ
и-
85
) о
34
Зз
2:
' / ■ /
у//
54.
$5
Зз
Операция 4
У//! щ
ш
///// / / / /.
Рис. 3. Втулка: а - эскиз заготовки; б - эскиз детали; в, г, д - операционные эскизы изготовления втулки
также отметить, что отдельные размерные цепи, в которых размеры Sу - искомые звенья, включают размеры заготовки 3q , что является негативным моментом, т.к. размеры заготовки имеют большие допуски.
Суммарное количество составляющих звеньев в размерных цепях базового ТП - N2 =204, что обусловило значение коэффициента NS = 4 , т.е. среднее количество составляющих звеньев в одной размерной цепи примерно 4. Это много, и поэтому такой ТП следует считать несовершенным. Но самым большим недостатком базового варианта ТП является количество размерных цепей, в которых составляющих звеньев - размеров заготовки более 3, а Р3>3 = 8. Основной причиной этого является, прежде всего, цепная простановка размеров на чертеже заготовки (рис. 2, а). При этом не проставлен размер на толщину буртика диаметром 71 мм. Черновые поверхности торцов этого буртика принимаются за технологические (опорные, настроечные) базы в несколько операциях ТП. Та -кая простановка длиновых размеров заготовки является крайне нерациональной и никак не обоснованной с точки зрения обеспечения необходимых размерных связей ТП, т.к. обусловливает образование размерных цепей, составляющими звеньями которых становятся несколько (от 2 до 7) размеров заготовки. Известно, что размеры заготовки имеют большие допуски - в пределах IT16 + IT 20. Поэтому, если в размерную цепь входит несколько размеров заготовки, то, естественно, допуск замыкающего звена - припуска будет неоправданно завышен, что обусловит в ТП наличие признаков технологических отказов [4]. Коэффициент КБ = 0,7736 соответствует уровню удовлетворительного качества ТП. Это связано с тем, что токарная обработка заготовки производится на станках с ЧПУ, и поэтому мало используются промежуточные поверхности в качестве технологических баз.
Во II варианте ТП с координатной простановкой размеров заготовки произошло радикальное уменьшение показателей k , Ns и Р3>3 .(табл. 1). В размерные цепи этого варианта входит составляющим звеном только 1 размер заготовки, что является признаком высокого качества ТП.
Как видим, цепной метод обусловливает максимальное количество размеров заготовки в технологических цепях - столько, сколько линейных размеров-звеньев в размерной цепочке заготовки (рис. 2, а), что крайне нежелательно, т.к. слишком увеличивает допуск на припуск. Координатный метод обусловливает только один размер заготовки в технологических размерных цепях.
III вариант ТП - комбинированная простанов-
ка с двумя координатными (торцевыми) поверхностями заготовки. В пределах этого варианта было разработано и исследовано 5 подвариантов(различных схем, комбинаций) простановки размеров. Размерные цепи этих подвариантов имеют от 2 до 7 составляющих звеньев, из которых 1-4 размеры заготовки. После сравнения с другими вариантами был выбран тот подвариант (рис. 2, в), что имеет наилучшие показатели, табл. 1. Этот подвариант не обусловливает образование многозвенных (n > 5) размерных цепей, и при этом размерные цепи не включают более 2 размеров заготовки (Р3>3 = 0). Количество малозвенных размерных
цепей, а, соответственно, и коэффициент КМ уменьшились по сравнению с II (координатным) вариантом. Однако все показатели III варианта в сравнении с показателями I (цепного) существенно лучше и свидетельствуют о высоком качестве ТП. Поэтому этот вариант является оптимальным.
В IV варианте рассмотрена комбинированная простановка от трех координатных плоскостей (торцов) заготовки. В 6 рассмотренных подвариантах в состав размерных цепей входит от 2 до 8 составляющих звеньев, из которых 1-5 размеров заготовки. Есть подварианты, в которых размерные цепи имеют не более 2 размеров заготовки. Однако эти подварианты имеют многозвенные размерные цепи. Для оптимизации был выбран тот подвариант (рис. 2, г), размерные цепи которого мало-звенные (n < 4) и при этом только одна цепь включает 3 размера заготовки, табл. 1.
Проведенная оптимизация показала, что при любых вариантах простановки технологических размеров следует рассматривать несколько подвариантов (от 5 до 10), из которых путем анализа показателей находить лучший. А затем из лучших подвариантов находят оптимальный вариант.
Анализируя и обобщая результаты оптимизации, установили, что комбинированный метод позволяет найти такую простановку технологических размеров, которая обеспечит образование малозвенных размерных цепей с минимальным количеством размеров заготовки.
Если простановку линейных размеров на чертеже детали связывают с конструкторскими (сборочными) базами, то при постановке размеров на чертеже заготовки за базовые (координатные, отчетные) следует принять 2 или 3 удобные с точки зрения базирования и настройки торцевые поверхности заготовки.
Выводы
Наиболее предпочтительным, обеспечивающим наилучшие показатели качества размерных связей ТП, является координатный метод простановки линейных технологических размеров. Однако при этом неизбежны определенные затруднения, не-
удобства как при базировании и закреплении заготовки, так и при настройке технологической системы и измерении (контроле) линейных размеров. Рациональным следует считать комбинированный метод с двумя координатными поверхностями, т.к. при этом обеспечиваются оптимальные значения размерных коэффициентов, необходимые технологические удобства, максимальное соблюдение принципов базирования, минимальное количество размеров заготовки в технологических размерных цепях и, соответственно, незначительная вероятность технологических отказов.
Перечень ссылок
1. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. - М.: Машгиз, 1959. - 485 с.
2. Цыпак В.И. Исследование и оценка размерных связей технологических процессов изготовления деталей - Вестник двигателестроения, 2005. - №3. - С. 122-126.
3. Цыпак В.И. Расчет и простановка линейных технологических размеров - Новi матерiали та технологи в металурги та машинобудуваннк -
1999. - №1. - С. 47-52. 4. Цыпак В.И. Размерно-статистический анализ качества технологических процессов изготовления деталей - Вестник двигателестроения, №1. - 2007. - С. 75-82.
Поступила в редакцию 06.03.2007
Розглянуто вплив методу простановки л1н1йних технолог1чних розм1р1в на як1сть роз-м1рних зв'язюв технолог1чного процесу виготовлення детал1. Вибр рацонально!простановки лн¡йних технолог1чних розм¡рв пропонуеться зд1йснювати шляхом оптим1зацн на основ1 розм1рних коеф1ц1ент1в.
The influence of the method of linear dimensioning on the dimensional relations quality during the technological process of work-pieces producing has been considered. The choice of the rational linear dimensioning is offered to be realized with the help of optimization on the base of dimensional indexes.
