Технологичность конструкции и её виды

Технологичность конструкции и её виды.

(Основные определения).

В соответствии с ГОСТ 22851–77 “Показатели качества продукции” установлено 8 видов показателей качества, в т.ч. – показатели технологичности (назначения, надежности, …).

Главный критерий технологичности конструкции – её экономическая целесообразность при заданном качестве и принятых условиях производства, эксплуатации и ремонта. Критерий ® д/сопоставления вариантов и оптимизации.

Единые термины и определения в области технологичности конструкций устанавливает ГОСТ 18831–73 “Технологичность конструкции. Термины и определения”.

Стандартное определение технологичности конструкций сформулировано, исходя из принципа сокращения материальных и трудовых затрат во всех сферах проявления свойств конструкции объекта, и звучит так :

“Технологичность – совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимизации затрат труда, средств, материалов и времени при, —

— технологической ПП,

— изготовлении,

Рекомендуемые материалы

— эксплуатации и ремонте,

по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества в принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта”.

Отработка конструкции изделия на технологичность – комплекс мероприятий по обеспечению необходимого уровня технологичности конструкции изделия по установленным показателям.

Основная задача отработки – придание изделию комплекса свойств, устанавливаемым понятием (термином) технологичность.

Для решения этой задачи изделие необходимо рассматривать как объект разработки (по стадиям разработки) на всех стадиях жизненного цикла.

Так как технологичность изделий проявляется в процессе их производства и эксплуатации, таким образом , основными видами технологичности конструкции изделий являются (по области проявления) , —

— производственная технологичность (конструкторская и технологическая подготовка производства)

— эксплуатационная технологичность (т.о. и ремонт)

По характеризуемым свойствам, —

— технологическая рациональность конструкции (по виду затрат)

— конструктивно-технологическая преемственность (по форме проявления).

Основные требования и рекомендуемые решения при отработке конструкции на технологичность.

– 1. Обеспечение расчленения объекта на сборочные единицы. Сборочные   единицы   ®    минимальное  число  деталей   обеспе–чивает выполнение функций;

—  возможность независимой параллельной сборки;

—    принцип агрегатирования.

– 2. Обеспечение унификации и стандартизации элементов конструкции (сокращение номенклатуры деталей, ГИЗы).

– 3. Обеспечение рациональных сборочных баз (принцип единства баз).

– 4. Обеспечение рационального процесса сборки : ПВЗ ® НВЗ ® ГрВЗ (селект-сборка) ® регулировка компенсаторами ® пригонка.

– 5. Обеспечение удобства сборки (механизация и автоматизация; общая сборка без промежуточных разборок; доступ к местам регулирования и контроля; легкосъёмность быстроизнашивающихся деталей; >20 кг. – устройства д/ГПМ).

– 6. Обеспечение рациональных соединений составных частей (минимальное число соединений).

– 7. Обеспечение применения типовых технологических процессов: обработки, сборки, контроля и испытаний.

В комплексе технологичность рассматривается как совокупность свойств конструкции изделия, заложенных в конструкторской документации при разработке :

Рациональная конструкция º расчетной технологичности

Подробно процесс ОКИТ рассмотрен в “Методика отработки конструкций изделий на технологичность и оценки уровня технологичности изделий МС и ПС”. М : Издательство стандартов. 1976 г., 55 стр. ® ОСТ СТП.

На предыдущей лекции мы сказали :

если рассматривать технологичность объекта в комплексе, то она определяется совокупностью свойств конструкции объекта, заложенных в КД при разработке.

При этом для создания рациональной технологии изготовления (и сборки) необходима рациональная конструкция.

Рациональность конструкции во многом определяется такими показателями технологичности как, —

—     масса (вес) изделия;

—     удельная материалоемкость изделия.

В машиностроении уменьшение массы изделий позволяет снижать расход материалов (в основном металлических) и, соответственно, стоимость изготовления.

Здесь следует отметить : снижение массы изделий не является (и безусловно не должно быть) самоцелью. Снижение массы должно обеспечиваться без ущерба прочности, жесткости и надежности (долговечности) объекта.

Поэтому , учитывая ещё и достаточно малую долю стоимости материалов в общей стоимости объекта , в общем машиностроении нашей страны сохраняется тенденция (порой неоправданно): лучше иметь несколько более тяжелую машину, но надёжную и долговечную.

Сравнительные качества объектов одного назначения оценивают показателем удельная масса, равным

Этот показатель учитывает степень конструктивного  совершенства объекта , а также – применение лёгких сплавов и неметаллических (К) материалов.

Например , качество конструкции металлорежущих станков оценивают показателем g = G / Nд , где G – масса, кг ; Nд – номинальная мощность приводного двигателя.

П. И. Орлов утверждает, что в этом случае, этот показатель “невыразительный”, т.к. не учитывает степень использования Nд, а также производительности станка.

Понятие материалоемкость отличается от понятия масса – они неравнозначны.

Материалоёмкость лучше всего выражать объемом элементов, составляющих бьем.

Тогда удельная материалоемкость – показатель качества конструкции :

, где – суммарные массы элементов, изготовленных из материалов с плотностью .

–коэффициент использования объема.

Снижение массы и материалоёмкости объекта обеспечивается рациональной конструкцией элементов объекта, которая основана на следующих принципах, –

— рациональная форма сечения для каждого вида нагрузки – принцип равного напряжения сечения ;

— уменьшение концентрации нагрузки : обеспечение равномерного распределения напряжений в поперечных сечениях – принцип равнопрочности ;

— обеспечение рационального баланса жесткости – принцип относительной жесткости (т.к. равнопрочные детали при прочих равных условиях имеют меньшую жесткость) ;

— устранение СНС : 2–3 вида нагружения ; поперечный изгиб ® чистый изгиб ® кручение ® срез ® растяжение (сжатие) – принцип рационального нагружения. (Силовая схема) . А. Н. Т. : “Силу надо “ловить” там где она возникает”

— уменьшение неравномерности напряжений путём удаления материала из малонапряженных участков – принцип обсечения (снижаются инерционные нагрузки) ;

— применение рациональных конструктивных схем : минимальное число звеньев, компактность, многопоточные схемы ;

— уточнение расчетных напряжений (повышение за счет, например, экспериментального измерения и натуральных испытаний) ;

— выбор соответствующего материала (замена металлов ПКМ) , применение технологических методов упрочнения материалов.

Выгодность материалов по массе можно оценить с помощью удельных показателей ,например, Lp = dв / g (для растяжения-сжатия), которая наглядно интерпретируется, т.н. “разрывной длиной” – длина свободно подвешенного стержня (км) , при которой материал разрушится от действия массовых сил.

А=s

Следует отметить, что выбор материала определяется не только его массово-прочностными характеристиками , но и другими немаловажными факторами, —

– назначением и условиями работы детали ;

– физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами материала ;

– стоимостью (!) .

Вывод :  наибольшей универсальностью обладают стали, свойства которых определяются в широких пределах легированием, термической, химико-термической и термомеханической обработкой.

Стали ещё долго будут основным материалом для изготовления нагруженных деталей.

Почти такими же свойствами обладают титановые сплавы (кроме обрабатываемости).

ПКМ выйдут на первое место только в случае обеспечения их стоимости на уровне металлических материалов (хотя бы титанов).

СВМ–45руб/кг+Экология

Жесткость конструкций. Конструктивные способы повышения жесткости.

Общее определение :

Жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями (перемещениями).

Для машиностроения : жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями (перемещениями), допустимыми без нарушения работоспособности системы.

Таким образом , жесткость определяет работоспособность объекта в такой же мере (иногда большей) , как и прочность. И соответственно , определяет массу (материалоёмкость) конструкции.

Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать прочностные свойства материалов , конструктор повышает уровень напряжений в элементах конструкции, что приводит к увеличению деформаций (e = d / E).

Широкое применение равнопрочных, наиболее выгодных по массе конструкций , вызывает увеличение деформаций : такие конструкции имеют малую жесткость.

Вопрос повышения жесткости особенно актуален в связи с применением высокопрочных материалов, элементы из которых резко увеличивают деформативность конструкций.

Определить величину деформаций расчетными методами можно лишь при простых видах нагружения [ растяжение (сжатие), сдвиг (кручение), изгиб ] методами СМ иТУ.

В большинстве случаев приходится иметь дело с элементами конструкций, жесткость которых не поддаётся расчету : их сечения определяются технологией изготовления (например , литьё , прокат) или имеют сложную конфигурацию (корпусные детали).

Здесь применяются моделирование , эксперимент (испытания) , опыт и интуиция конструктора.

П. И. Орлов “ОК” отмечает : “... конструкции, разработанные начинающим конструктором, обычно “страдают” недостатком жесткости”.

Жесткость конструкции определяют следующие факторы :

— Е (растяжение-сжатие, изгиб) ; G (сдвиг, кручение) ;

— геометрические характеристики сечения  (A,J(W),J_k(W_k));

— линейные размеры : длина L ;

— вид нагружения , тип (жесткость) опор.

Факторы, влияющие на жесткость, можно объединить в обобщенном удельном показателе жесткости

Таким образом ,  этот показатель объединяет характеристики прочности и жесткости и характеризует способность материалов воспринимать высокие нагрузки при наименьших деформациях, и наиболее полно оценивает выгодность материалов по массе.

Значения n_l для основных конструкционных (металлических) материалов можно представить диаграммой

Мы знаем , что на практике , выбор материала , определяется не только прочностно-жесткостными характеристиками , но и технологическими и эксплуатационными свойствами.

Поэтому преимущественное значение в обеспечении прочности и жесткости (при минимальной возможной массе) имеют конструктивные меры (способы).

Конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы —

— устранение изгиба , замена его растяжением или сжатием ;

— для элементов конструкций , работающих на изгиб , –рациональная схема опор ; увеличение J(W)

— усиление рёбрами, работающими предпочтительно на сжатие ;

— усиление опор, затяжка опор (опорных сечений) и участков перехода от одного сечения к другому

— блокирование деформаций (перемещений) введением поперечных и диагональных связей (фермы, рамы, расчалочные конструкции) ;

— привлечение жесткости смежных деталей ;

— для деталей коробчатого типа (базовые детали – станины) – применение скорлупных , сводчатых , сферических и т.п. форм ;

— для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм ; рациональное оребрение, гофрирование ;

— для деталей типа плит – арочные, коробчатые, ячеистые и сотовые конструкции.

Схема    1

Приводной элемент ШУ расположен между опорами.

Эта схема типична для токарных, фрезерных станков и для многоцелевых станков с ЧПУ.

Радиальное упругое перемещение шпинделя в расчетной точке слагается из следующих перемещений:

d_1Q– тела шпинделя от силы Q в ПЭ ;

d_2Q – деформация опор от силы Q ;

d_1Р  – тела шпинделя от силы резания P ;

d_2Р   – деформация опор от силы Р.

l – межопорное расстояние; а –вылет шпинделя (консоль); в –расстояние от передней опоры до   сечения ПЭ;       J₁–среднее значение осевого момента инерции консоли; J₂ –среднее значение осевого момента инерции в МОР; S₁ и S₂ – площади поперечных сечений; Е–модуль Юнга материала шпинделя; G=E/[2(1+m)] – модуль сдвига; j_a и j_b– радиальная жесткость передней и задней опор; – коэффициент защемления в передней опоре.

Упругое перемещение переднего конца шпинделя, слагающееся из всех названных выше перемещений, но без учёта защемляющего момента:

С учётом действия защемляющего момента в передней опоре перемещение переднего конца шпинделя:

 Угол поворота (рад) в передней опоре:

В зависимостях (1) и (2) и в последующих под P и Q понимают составляющие сил, приведённые к одной плоскости.

Перед Q принимают знак (+), если силы P и Q направлены в одну сторону, и знак (–), если они направлены противоположно.

Введя в зависимости (1) и (2) безразмерное отношение l=l/a, характеризующая относительную длину межопорной части шпинделя, из уравнения  dd/dl=0 находят l_opt –оптимальное по условию жёсткости® и соответствует l_opt.

Схема ­ . приводной элемент расположен на задней консоли на расстоянии С от задней опоры. Этот случай,– для внутришлифовальных станков и отделочно расточных головок.

Перемещение переднего конца шпинделя с учётом защемляющего момента в опоре шпиндельного узла:

­^P  ­^Q  эквивалентно _P¯  ­^Q ® перед Q противоположный знак.

При e=0; d=d₁+d₂.

Схема ® . Шпиндель не нагружен силами от привода. (Например, мотор–  шпиндели )®в прецизионных станках.  

Расчеты базовых деталей на жесткость. Несущая система и базовые детали.

Несущей системой называется совокупность деталей и узлов МРС, обеспечивающих правильное расположение инструмента и обрабатываемой детали,– шпиндельный узел и базовые детали (узлы): станина (направляющие), стойки, корпуса коробки скоростей и подач, задние бабки, суппорты, планшайбы, столы, которые воспринимают силы резания при обработке.

Жесткость МРС связана с его компоновкой. Применяют жесткие замкнутые конструкции (предпочтительно – симметричные).

 

Для снижения величины деформаций применяют материалы с высоким модулем Е.

Для базовых деталей средних размеров и несложной формы рекомендуется–серый чугун СЧ 21–40 (HB 200...220).

Для тяжелонагруженных станин: марки СЧ 28–48 или СЧ 38–40.

Для специальных станков целесообразно корпусные детали выполнять сварными из низкоуглеродистой листовой стали (Ст3 и Ст4, d_ст=8...12 мм.

Применяют также железобетон.

Наиболее ответственными элементами станины являются направляющие.

Точность изготовления направляющих и стабильность отклонений от прямолинейности и плоскостности определяют точность обработки изделий.

В МРС применяют направляющие скольжения , качения и комбинированные.

НС с полужесткой смазкой, обладающие высокой контактной жесткостью, применяют в универсальных МРС, когда нецелесообразно применение более совершенных (и соответственно дорогих) типов направляющих.

В быстроходных и точных станках с ЧПУ применяют направляющие качения (НК) , комбинированные или ГСН (гидростатические).

Выбор конструкции и материалов НС с полужидкостной смазкой определяется требованиями, —

– точности движения по направляющим рабочего узла;

– жесткости;

– min сил трения в направляющих.

Направляющие рассчитывают на , —

– износостойкость,

– жесткость.

При расчете на износостойкость определяют max – давление между трущимися поверхностями и сравнивают с допускаемым давлением, которое для крупных направляющих МРС нормальной точности принимается [ P ] _max = 2,5...3 MПа;

– для прецизионных и тяжелых МРС [ P ] _max = 1...2 MПа;

– для шлифовальных станков (условия абразивного износа), [ P ] _max = 0,05...0,08 MПа.

В расчете на жесткость определяется смещение инструмента по направлению , которое более всего влияет на точность обработки.

Для этого определяют средние давления на направляющие от сил резания и веса подвижного узла.

Принимают допущение, что контактные перемещения в направляющих прямо пропорциональны средним давлениям.

Используя нормированный коэффициент контактной податливости С = 10 мкм мм² Н^-1 , определяют смещение инструмента d , обусловленное поперечным и угловыми перемещениями подвижного узла.

N. B. Значение d должно составлять часть 10% из общего баланса допускаемого отклонения размера обрабатываемой детали , которые отводятся для несущей системы МРС.

Расчеты направляющих приведены в учебной и справочной литературе, например Кочергин А. И. “К и Р МРС и СК”;”Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов” — Мн: “ВШ”,1991 г, стр. 264...298.

Тяговые устройства (ТУ) – предназначены для перемещения подвижных узлов станка по направляющим.

К ТУ предъявляются следующие основные требования, —

– высокая чувствительность для обеспечения малых перемещений без скачков;

– обеспечение заданного закона движения;

В лекции "6.2 Системные BIOS" также много полезной информации.

– быстродействие при переходных процессах;

– большая жесткость , которая определяет точность обработки на статичных и динамичных режимах;

– беззазорность передач: особенно в случаях закономерных нагрузок и при автоматизированной обработке.

В автоматизированных МРС применяют следующие типы ТУ :

В–Г К , кулачковые механизмы, гидростатические передачи В–Г ,следящие гидроприводы (ГЦ) и др.

Перспективными , особенно для станков с ЧПУ , являются линейные ЭД , применение которых позволит исключить все названые виды передач.