Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном машиностроении существует тенденция роста мощностей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), сопровождающаяся увеличением числа цилиндров, длин блок-картеров и многоопорных узлов поддержки валов (МУПВ). Она обусловливает снижение точности многорезцовых узлов поддержки инструмента (МУПИ): зенкеров, разверток и многорезцовых борштанг, применяемых при механической обработке координированных параллельных рядов (КПР) глубоких прерывистых отверстий (ГПО) под подшипники скольжения в картерах и дестабилизацию их размеров и расположения. Суммарные погрешности механической обработки и сборки опор, вкладышей подшипников скольжения, коленчатых валов создают дестабилизацию функциональных зазоров соосных пар трения МУПВ и их различную работоспособность. Стабилизация зазоров в парах трения подшипник-шейка на стадии их изготовления обеспечивается размерными связями, учитывающими суммарные погрешности механической обработки и сборки полуотверстий коренных опор, подшипников и шеек коленчатого вала. Эти связи влияют на основные технико-экономические показатели работоспособности подшипников: оптимальный Som, действительный максимальный Smax и средний Scp зазоры в ряду соосных пар трения, запасы точности Кт и износа S„, коэффициент равномерности зазоров ен = Smax/5cp. Отсутствие жестких и точных переналаживаемых специальных станков для механической обработки опор ухудшает показатели, что приводит к необходимости ужесточения норм точности при обработке деталей МУПВ в условиях возрастания параметра lld<10 длины / и диаметра (/опор. Неполные знания о факторах дестабилизации размеров деталей соосных отверстий в зоне неустойчивой работы элементов трибологической системы, недостаточное методологическое обоснование технологических приемов диаметральной компенсации погрешностей при сборке приводят к снижению эксплуатационных характеристик МУПВ и в целом ДВС. Металлургические дефекты коленчатых валов, проявляющиеся в виде смещения границ неметаллических включений, кольцевых зон макро- и микроструктур к сердцевине коренных шеек вала, приводят к образованию на них закалочных трещин, биению, дестабилизации зазоров в соосных парах трения и, в конечном счете, к снижению работоспособности МУПВ. Как показал обзор литературных источников, возможностью стабилизации пространственных отклонений отверстий опор и подшипников обладают способы координатного протягивания, растачивания и селективная сборка. Однако при обработке протяженных опор известные приемы механической обработки не обеспечивают нужную стабилизацию их геометрических параметров из-за снижения жесткости обрабатывающих инструментов. Расчет зазоров и посадок в МУПВ на основе теории размерных цепей и метода полной взаимозаменяемости затруднен из-за отсутствия системы допусков и посадок сборной конструкции, состоящей из полуотверстий постели и вкладышей. Недостаточно представлены теория и практика компенсации погрешностей деталей МУПВ при селективной сборке на основе моделирования и применения ЭВМ. Поэтому технологическое обеспечение
повышения эксплуатационных характеристик соосных пар трения МУГ1В является решением актуальной технико-экономических проблемы двнгателе-стросния и других отраслей машиностроения.
Цель работы. Повышение эксплуатационных характеристик соосных пар трения МУПВ на основе стабилизации геометрических параметров соосных поверхностей контакта его деталей размерным координатным протягиванием или растачиванием пинолыо с последующей диаметральной компенсацией остаточных погрешностей селективной компьютерной сборкой деталей узла с учетом влияния технологической наследственности на дестабилизацию зазоров в парах трения и трещинообразование шеек коленчатого вала.
Научная новизна. На основе накопления и классификации материала о действительных погрешностях координатного протягивания и растачивания гшнольиыми станками протяженных соосных поверхностей коренных опор в картерах, а так же о наследственных погрешностях и дефектах коренных шеек коленчатых валов после механических, металлургических операций и сборки коренных подшипников протяженных МУПВ сформулированы и теоретически обоснованы принципы технологического обеспечения и положения комплексной технологии повышения эксплуатационных характеристик системы соосных пар трения.
Новизной обладают следующие положения:
1.Системный подход к решению проблем, представленный классификациями:
систем соосных отверстий, расположенных в блок-картерах ДВС;
способов механической обработки и металлорежущих станков;
схем и погрешностей базирования протяжного инструмента;
- наследственных металлургических погрешностей и дефектов коленча
тых валов, раскрывающих закономерности их влияния на биение, трещино
образование шеек и дестабилизацию зазоров в парах трения.
2. Принцип координатного протягивания КПР ГПО, основанный на самобазировании режуще-деформирующих протяжек или ступенчатых прошивок и последовательном переносе баз протяжки из входного базового отверстия ряда в промежуточные.
-
Результаты теоретического обоснования и тензометрического экспериментального исследования неуравновешенности радиальных сил резания Лу при протягивании круглых отверстий, позволившие сформулировать критерий неуравновешенности АРу и выработать методику его определения.
-
Модель формообразования поверхности ГПО под влиянием неуравновешенности радиальных сил Ру, ее связи с длиной, числом зубьев и жесткостью протяжки при варьировании геометрическими параметрами инструмента и обрабатываемой детали.
5. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение повышения характеристик жесткости и точности разработанных специальных пинольных станков для обработки коренных опор из разнородных материалов на основе статистической обработки эмпирических данных, оптимизации процесса растачивания и инженерных расчетов.
6. Разработанные математические и геометрические модели оценки погрешностей механической обработки и сборки соосиых поверхностей контакта деталей МУПВ и критерий суммарной погрешности ЕЕРСІдля МУПВ.
7. Принцип и критерий/дк; диаметральной компенсации погрешностей механической обработки КПР ГПО разнотолщшшостыо вкладышей коренных подшипников скольжения, на основе разработанной системы допусков и посадок соосных пар трения и идентификации сборной конструкции, состоящей из полуотверстий постели под подшипник, его вкладышей условной втулке-подшипнику с полем допуска TD ув, включающей метод определения ее приведенных предельных диаметров D ув „,, ,мх> D у „ П|) „„„, и зазоров S „р max. S „р min с шейками вала, а также идентификацию coocfibix поверхностей коренных опор и шеек вала единой прерывистой поверхности.
8. Комплекс взаимосвязанных способов стабилизации параметров монтажных зазоров, близких к оптимальному SonT> минимальному Smini-- функциональному зазорам, включающий компьютерный подбор вкладышей, их постелей и коленчатых валов при комплектовании узла по параметрам их точности при селективной сборке и повышения на этой основе запасов точности Кт износа S„ соосных пар трения МУПВ.
9. Выявленные на принципах инверсии закономерности влияния на
следственных дефектов на биение шеек коленчатых валов и их трещинообра-
зование, а так же предложенные способы устранения дефектов управлением
границами зон неметаллических включений в сердцевине заготовок.
10. Обоснование практических рекомендаций по промышленному при
менению способов координатного протягивания и пинольных металлорежу
щих станков, новизйа технических решений которых подтверждена 13-ю ох
ранными свидетельствами НИИ ГПЭ. Экспериментальная оценка основных
теоретических результатов подтверждающих влияние повышения точности
обработки КПР ГПО и селективной сборки деталей МУПВ на эксплуатаци
онные характеристики коренных подшипников ДВС.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Принцип устранения неравномерности зазоров в соосных подшипниках скольжения, включающий взаимосвязанные методы повышения запасов технологической точности, приемы стабилизации диаметров коренных опор размерной механической обработкой с последующей компенсацией се погрешностей компьютерным подбором разнотолщинных вкладышей и индивидуальной или групповой компьютерной сборкой их в условные втулки-подшипники.
-
Системный подход к повышению качества механической обработки КПР ГПО на основе классификаций КПР ГПО, способов их механической обработки, металлорежущих станков, инструментария, обеспечивающих точность обработки в зависимости от доступа к обрабатываемым поверхностям, геометрических параметров заготовок и инструмента.
-
Разработанные способы координатного протягивания КПР ГПО, схе-мы самобазировапия металлорежущих протяжных инструментов и конструкции специальных станков, защищенные охранными документами НИИ ГПЭ.
-
Методы прогнозирования точностных характеристик, обоснование ус-
ловий необходимости и достаточности схем базирования для нейтрализации отклоняющих усилий радиальных сил резания при координатном протягивании КПР ГПО на основе моделирования формообразования и статистической обработки эмпирических данных обработки.
-
Математические и геометрические модели погрешностей механической обработки и сборки соосных поверхностей контакта деталей МУГІВ и критерий ЕЕРСі оценки его суммарной погрешности.
-
Метод диаметральной компенсации погрешности ЕРСі механической обработки КПР ГПО при сборке коренных подшипников тяжелых дизелей, собранных из вкладышей, позволившей идентифицировать их условной втул-кё-подшиннику и включающий систему допусков и посадок соосных пар трения подшипник - шейка, расчетный критерий диаметральной компенсации/,к.
-
Комплекс способов стабилизации эксплуатационных параметров оптимального Som зазора, запасов точное К-\Ы и на износ S„ соосных пар трения МУГІВ компьютерным подбором комплектующих деталей узла по параметрам их точности при групповой и индивидуальной сборке.
8. Методология установления закономерностей формирования границ, размеров, формы и расположения зон макро- и микроструктур в слитке, исходном прокате и в штамповке коленчатого вала, снижение влияние азотирования и наследственных металлургических дефектов на несоосность шеек и трещинообразование через управление границами макроструктур и повышение на этой основе работоспособности коленчатых валов и МУПВ в целом.
Практическая ценность работы заключается в создании комплексной технологии повышения работоспособности МУПВ. Она выражается в:
- системном подходе к решению проблем повышения эксплуатацион
ных характеристик МУПВ, основанном на классификациях: соосных отвер
стий большой протяженности с компьютерным определением типов КПР
ГПО, глубоких ступенчатых прерывистые отверстий (ГСПО), расположенных
в блок-картерах ДВС; способов механической обработки ГПО и металлоре
жущих станков; схем и погрешностей базирования протяжного инструмента;
методе соблюдения принципов инверсии через классификацию наследственных металлургических погрешностей и дефектов шеек коленчатых валов, раскрывающую закономерности влияние биение, трещинообразование и дестабилизации зазоров в парах трения на работоспособность МУПВ;
создании теоретико-экспериментальной базы определения численных значений критерия неуравновешенности радиальных сил и моделирования формообразования при режуще-деформирующем координатном протягивании, позволяющими влиять на точность процесса протягивания.
разработке и внедрении новых способов протягивания закрытых соосных и ступенчатых отверстий 7-го, 6-го квалитета точности КПР ГПО ДВС;
разработке гаммы специальных малогабаритных расточных пиноль-ных станков;
теоретическом обосновании возможности повышения точности и управляемости процесса растачивания КПР ГПО 6-го квалитета на пиноль-ных станках и стабилизации погрешностей обработки;
разработке модели погрешностей соосных поверхностей коренных опор шеек и подшипников скольжения, собранных из вкладышей, позволившей идентифицировать их условной втулке-подшипнику, прогнозировать в системе Matchad их совместимость в сборочном узле и повышать качество его сборки;
методе диаметральной компенсации погрешностей КПР ГПО разно-толщииностыо вкладышей групповой и индивидуальной компьютерной сборкой, позволившем стабилизировать зазоры в соосных парах трения и повысить работоспособность лимитирующих подшипников;
автоматизации подбора вкладышей при диаметральной компенсации погрешностей ПТО в системе KOMI1AC-3D по массоинерционным характеристикам вкладышей и по разнотолщинности;
обосновании эффективности технологического обеспечения стабилизации зазоров и повышение запасов точности, на износ и работоспособности МУПВ;
методологии прогнозирования расположения границ зон макро- и микроструктур в слитке, исходном прокате и в штамповке, управления границами зон макро- и микроструктур на стадии выбора заготовки, снижения несоосности и закалочных трещин и повышения на этой основе работоспособности МУПВ;
методе идентификации соосных поверхностей коренных опор картера и шеек вала единой поверхности через предложенные критерии снижения действительных отклонений и стандартных технических требований;
Новые технические решения научно обоснованы и представляют собой комплексную технологию механической обработки и сборки деталей МУПВ, повышающую эксплуатационные характеристики поверхностей трения коренных подшипников тяжелых ДВС и создающую экономический эффект в двигателестроении и станкоинструментальной промышленности.
Реализация результатов работы. Результаты внедрены при протягивании соосных отверстий коренных опор под подшипники скольжения картера дизеля В-2 на Волгоградском машиностроительном заводе, растачивании картеров дизелей 6ДМ-21А, 6ЧН 21/21, выпускаемых ОАО «Волгодизель-маш», при создании станков на ОАО «Мотороремонтный завод Волгоградский» и в процессе обучения студентов ВПИ ВолгГТУ. Применение способа координатного протягивания на обработке картера дизеля В-2 позволило увеличить качество обработки отверстий. При этом производительность увеличилась в 5 раз. Экономический эффект при обработке картеров дизелей 6ДМ-21А, 6ЧН 21/21 ОАО «Волгодизельмаш» соствил 204681 рублей на 1000 изделий в ценах 1990 г. Применение разработанной модели погрешностей соосных поверхностей коренных опор, шеек и подшипников скольжения, позволило идентифицировать их условной втулке-подшипнику, оценить в системе Matchad совместимость деталей МУПВ дизеля 8ЧН15/16 в сборочном узле по критерию оптимального зазороа в соосных парах трения. В результате обеспечена возможность повышения качества его сборки. Коэффициенты запасов точности Кт и на износ Sn методами групповой и индивидуальной сборок по
сравнению с традиционным методом полной взаимозаменяемости увеличились соответственно в 1,93 и 5,14 раза, что указывает на повышение работоспособности МУПВ дизелей 8ЧВН15/16 технологическими методами.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной конференции «Современные проблемы металлургического производства», проходившей в г. Волгограде 1 - 3 октября 2002 г., на практической конференции «Проблемы АПК», посвященной 60-летию Победы под Сталинградом и проходившей в г. Волгограде 29 января - 1 февраля 2003 г., «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения и машиностроительного производства», проходившей 16-19 сентября 2003 г. в г. Волгограде, на 7-ой Международной научно-практической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Шлифабразив-2003), проходившей в г. Волжском 8-14 сентября 2003 г., Международной научно-технической конференции «Иитерстроймех-2003», проходившей 15-17 сентября в г. Волжском, первой Международной конференция «Применение программных продуктов КОМПАС в высшем образовании» проходившей в г. Туле -2005 г., на международном научном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки-120 лет», проходившем в г. Орел в мае 2006 г. В полном объеме содержание диссертации докладывалось на совместных научных семинарах кафедр «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» Волгоградского государственного технического университета, на совместном научном семинаре кафедр «Технология машиностроения» и «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в приборо-,и машиностроении» ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».
Публикации. По теме диссертации сделано 85 публикаций, из которых 67 входят в перечень ВАК РФ для докторских диссертаций (13 авторских свидетельств и патент, 3 монографии, 31 статья в журналах, 10 публикаций в материалах МНТК, 9 депонированных рукописей и др.).
Структура її объем диссертации. Работа изложена на 420 страницах основного машинописного текста, включающего введение, семь глав, общие выводы, 124 рисунка и 77 таблиц, библиографический список из 296 наименований, имеет 16 приложений.
Похожие диссертации на Повышение эксплуатационных характеристик многоопорных подшипниковых узлов размерной механической обработкой и идентифицированной компьютерной сборкой
