Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем стандартизации размерных режущих инструментов. Постановка цели и задач исследований 10
1.1. Современные проблемы действующей системы стандартизации Российской Федерации 10
1.2. Научно-технические основы стандартизации размерных режущих инструментов 17
1.2.1. Влияние параметров размерных режущих инструментов на качество обрабатываемых изделий 17
1.2.2. Общие принципы обеспечения точности резьбовых соединений 21
1.2.3. Влияние точности метчиков на качество резьбовых соединений 24
1.3. Анализ стандартов, регламентирующих точность размерных режущих инструментов - метчиков 28
1.3.1. Развитие системы стандартизации метчиков 28
1.3.2. Анализ требований действующих стандартов, регламентирующих точность метчиков 34
1.4. Выводы к главе 1 40
1.5. Постановка целей и задач исследований 42
Глава 2. Методическое обеспечение исследований 44
2.1. Объект исследований 44
2.2. Методическое обеспечение разработки методологии построения системы стандартов на размерные режущие инструменты 44
2.3. Методическое обеспечение расчета допусков и исполнительных размеров размерных режущих инструментов 46
2.4. Методическое обеспечение экспериментального исследования параметров точности метчиков 47
2.4.1. Методика выполнения измерений среднего диаметра резьбы метчиков на приборе типа РМ 50
2.4.2. Методика выполнения измерений шага и угла профиля резьбы метчиков на микроскопе инструментальном 52
2.4.3. Методика определения закона распределения случайной величины 56
2.5. Структурная схема проведения исследований 60
Глава 3. Разработка методологического подхода к стандартизации размерных режущих инструментов (на примере метчиков) 63
3.1. Методология разработки стандартов на размерные режущие инструменты 63
3.2. Разработка стандартов на размерные режущие инструменты на примере метчиков 68
3.2.1. Разработка проекта стандарта приобретателя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Основные параметры и технические характеристики» 73
3.2.2. Разработка проекта стандарта изготовителя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Технические условия» 77
3.3. Выводы к главе 3 88
Глава 4. Научно-методологическое обеспечение расчета допусков и исполнительных размеров размерных режущих инструментов (на примере метчиков) 92
4.1. Теоретическая модель процесса формирования точных внутренних резьб метчиками 92
4.2. Определение суммарной погрешности обработки резьбообразующими инструментами - метчиками 107
4.2.1. Определение закона распределения погрешности среднего диаметра резьбы метчиков 110
4.2.2. Определение закона распределения погрешности шага резьбы метчиков 114
4.2.3. Определение закона распределения погрешности угла профиля резьбы метчиков 117
4.3. Методика расчета допусков и исполнительных размеров метчиков по критерию обеспечения точности обрабатываемых резьб 122
4.4. Разработка программного обеспечения расчета допусков и исполнительных размеров метчиков 132
4.5. Выводы к главе 4 135
Глава 5. Экспериментальное исследование влияния параметров точности метчиков на точность обрабатываемых резьб 138
5.1. Технология экспериментального исследования 138
5.2. Результаты экспериментального исследования 140
5.3. Выводы к главе 5 146
Глава 6. Определение экономического эффекта от повышения качества стандартных размерных режущих инструментов (на примере метчиков) 148
Общие выводы и результаты 157
Заключение 161
Список использованной литературы 163
Приложения 172
- Влияние параметров размерных режущих инструментов на качество обрабатываемых изделий
- Разработка стандартов на размерные режущие инструменты на примере метчиков
- Определение закона распределения погрешности угла профиля резьбы метчиков
- Результаты экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Реформа национальной системы стандартизации является неотъемлемой частью работ по созданию в Российской Федерации единой системы технического регулирования и предусматривает пересмотр содержания всего отечественного фонда стандартов. В рамках начавшейся реформы необходимо:
повысить научно-технический уровень национальных стандартов РФ, так как многие из них морально устарели и не соответствуют современным достижениям науки, техники и технологии;
гармонизировать положения и требования отечественных стандартов между собой и с международными нормами;
разработать новый подход к содержанию, оформлению и изложению стандартов для обеспечения их практического удобства при добровольном многократном применении.
Обновление устаревших документов по стандартизации особенно актуально для машиностроения в целом и инструментального производства в частности, где применяется большое количество стандартов, устанавливающих требования к оборудованию, технологической оснастке, контрольно-измерительным приспособлениям, материалам, технологическим режимам и нормам и т.д. От содержания и исполнения положений стандартов зависят качество и конкурентоспособность машиностроительной продукции, поэтому их требования должны периодически пересматриваться.
Недостаточный научно-технический уровень стандартов в производственных условиях зачастую приводит к невозможности гарантированного обеспечения заданной точности обработки. Это определяет объективную необходимость и актуальность разработки нового научно обоснованного подхода к стандартизации размерных режущих инструментов и создания новой версии стандартов для них.
Цель работы. Целью данной диссертации является разработка методологического подхода к стандартизации размерных режущих инструментов по критерию обеспечения качества обрабатываемых изделий, обновление действующих стандартов на инструментальную оснастку для достижения современного научно-технического уровня содержащихся в них требований и практического удобства использования документов.
Для достижения поставленной цели решены следующие научно-методические и прикладные задачи исследований:
-
Разработана общая методология стандартизации размерных режущих инструментов, а также рациональная по составу и содержанию система стандартов на них.
-
Создана научная концепция стандартизации допусков и исполнительных размеров размерных режущих инструментов по критерию обеспечения точности обрабатываемых изделий с учетом специфических особенностей их применения на примере метчиков. І м>С Национал
[ БИБЛИОТЕКА * J
СПетсгі»,-. yyj
О» ЩГшцО
3. Разработаны научно-методологическое обеспечение стандартизации точности размерных режущих инструментов - метчиков, а также научно обоснованная методика расчета допусков и исполнительных размеров метчиков машинно-ручных для метрической резьбы по критерию обеспечения точности обрабатываемых резьб.
-
Проведено экспериментальное исследование параметров точности серийно выпускаемых метчиков с целью установления законов распределения погрешностей изготовления их основных исполнительных размеров и влияния этих погрешностей на точность обрабатываемых резьб.
-
Экспериментально проверена новая, предложенная в работе методика расчета допусков и исполнительных размеров метчиков в лабораторных и производственных условиях.
-
Разработаны проекты новых стандартов на метчики машинно-ручные для метрической резьбы.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования по созданию новой методологии построения системы стандартов на размерные режущие инструменты базируются на научно-методических основах стандартизации и управления качеством продукции.
Теоретические исследования обеспечения точности обработки размерными режущими инструментами основываются на научных нормах взаимозаменяемости и положениях технологии обработки металлорежущими инструментами.
Экспериментальные исследования параметров точности метчиков базируются на теоретических и прикладных положениях метрологии, технических измерений, теории вероятностей и математической статистики.
Основные положения, выносимые автором на защиту:
-
Методологический подход к систематизации стандартов на размерные режущие инструменты и формированию содержания стандартов приобретателя и изготовителя.
-
Методологический комплексный подход к стандартизации допусков и исполнительных размеров размерных режущих инструментов на примере метчиков машинно-ручных для метрической резьбы
-
Научно обоснованная методика расчета допусков и исполнительных размеров метчиков машинно-ручных для метрической резьбы по критерию обеспечения точности обрабатываемых резьб.
-
Проекты новых стандартов на размерные режущие инструменты - метчики: стандарта приобретателя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Основные параметры и технические характеристики» и стандарта изготовителя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы Технические условия», устанавливающие современные научно обоснованные оптимальные положения и требования к изготовлению и применению метчиков и предназначенные для добровольного применения в качестве национальных стандартов или стандартов организаций на территории Российской Федерации.
Научная новизна работы заключается:
в создании методологического подхода к систематизации стандартов на размерные режущие инструменты и разработке рациональных по содержанию и удобных для практического использования проектов новых стандартов на метчики машинно-ручные для метрической резьбы, устанавливающих современные научно обоснованные оптимальные положения и требования к их изготовлению и применению;
разработке методологического подхода к расчету допусков и исполнительных размеров размерных режущих инструментов по критерию обеспечения точности обрабатываемых изделий и создании на его основе новой научно обоснованной методики расчета допусков и исполнительных размеров метчиков машинно-ручных для метрической резьбы.
Достоверность и обоснованность научных исследований подтверждаются экспериментальными данными и широкой апробацией на практике и среди научной общественности.
Практическая значимость работы заключается:
В разработке новой научно обоснованной методики расчета допусков и исполнительных размеров размерных режущих инструментов на примере метчиков.
Создании проектов новых стандартов: приобретателя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Основные параметры и технические характеристики» и изготовителя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Технические условия». Принятие и внедрение предложенных проектов в качестве национальных стандартов РФ или стандартов организаций повысит качество серийно выпускаемых стандартных метчиков и обеспечит гарантированную точность при машинной обработке ими внутренних резьб.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс обучения инженеров в Брянском государственном техническом университете по специальности «Стандартизация и сертификация».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Сертификация и управление качеством продукции» (Брянск, 2002 г.); Пятой международной научной школе «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем» (С-Петербург, 2002 г.); научных конференциях профессорско-преподавательского состава БІТУ (Брянск, 2002-2004 гг.) и др.
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях кафедры «Управление качеством производственных и технических систем» и научно-технической секции «Стандартизация и управление качеством продукции» Брянского государственного технического университета.
Публикации. Основные положения работы изложены в 10-ти публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, заключения, списка использованной литературы, изложенных на 172 страницах, содержит 33 таблицы, 44 рисунка, список литературы из 97 наименований и приложения на 29 страницах.
Влияние параметров размерных режущих инструментов на качество обрабатываемых изделий
В настоящее время, назначение допусков и расчет исполнительных размеров для всех размерных инструментов (метчики, сверла, зенкеры, развертки, плашки и др.) осуществляется на основе общей схемы (рис. 1.2), включающей допуск обрабатываемого изделия Тп допуск на изготовление инструмента Tj ; допуск на износ инструмента по профилю ти и допуск на разбивку размера D от воздействия факторов технологической системы Трс [55].
Для различных видов размерных инструментов в действующих стандартах и другой технической литературе установлены свои соотношения величин допусков T(j , Трс и Ти (рис. 1.3). Так, запас на разбивку Трс назначается в пределах 0,2...0,7 от допуска на изделие TD а допуск на изготовление самого инструмента Tj -(0,25...0,35)TD- ЕСЛИ трудно определить долю каждой из составляющих, то рекомендуется принимать их равными 1/3 допуска на изделие TD то есть Трс = Td0 = Ти 0,33TD.
Анализ показал, что вопросы назначения допусков и исполнительных размеров в теории проектирования размерных инструментов проработан недостаточно. Так при проектировании протяжек их исполнительный размер рекомендуется принимать равным наибольшему предельному размеру обрабатываемого изделия, считая, что в этом случае разбивка отсутствует [56]. Однако практика показывает, что это не так, и окончательно исполнительный размер определяют по пробным деталям при обработке путем подшлифования калибрующих зубьев инструмента. По другим источникам для протяжек устанавливается Трс = (0,1-M),2)TD (рис. 1.3г).
Для разверток (рис. 1.3 в) запас поля допуска на разбивку назначается равным Трс = 0,15Tj), при этом не учтены условия работы данного инструмента. Такая рекомендация справедлива при закреплении развертки в «плавающем» патроне, который обеспечивает ее самоцентрирование относительно оси обрабатываемого отверстия и величина разбивки при этом будет минимальной. При других способах закрепления развертки в шпинделе станка с помощью жестких патронов или переходных втулок разбивка увеличивается под действием погрешностей станка и вспомогательного инструмента.
Хуже всего проработан вопрос расчета исполнительных размеров метчиков, который при обработке должен обеспечить получение заданных диаметральных размеров резьбы, ее шага и угла профиля. Точность резьбы определяется допуском на приведенный средний диаметр с учетом диаметральных компенсаций погрешностей шага и угла профиля [46, 95 и др.]. Однако при расчете среднего диаметра резьбы метчика и допуска на его изготовление по приведенным в технической литературе и действующих стандартах методическим рекомендациям диаметральные компенсации погрешностей шага и угла профиля не учитываются. Кроме того, не учитывается также влияние погрешностей изготовления резьбовых калибров при контроле и способ осуществления подачи метчика при обработке. В результате стандартные метчики не обеспечивают заданной точности при машинной обработке точных внутренних резьб.
Таким образом, соотношения допусков T J Трс и Ти (рис. 1.2) для конкретных размерных режущих инструментов не имеют глубокого научного обоснования. Применение необоснованных рекомендаций при расчете допусков и исполнительных размеров инструментов на практике приводит к невозможности обеспечения гарантированной заданной точности обработки. В наибольшей степени эта проблема касается сложных высокоточных размерных инструментов, к которым, например, относятся одни из самых ответственных, как в производстве, так и в эксплуатации инструменты - метчики, имеющие пять исполнительных размеров.
Таким образом, для обеспечения качества изделий машиностроения необходимо создание нового научно-методологического подхода к назначению допусков и исполнительных размеров инструментов и переработка на его основе системы стандартов на размерные режущие инструменты. Новый подход должен быть основан на базовой схеме (рис. 1.2), учитывать специфику работы конкретным инструментом и обеспечивать гарантированную заданную точность обработки.
Созданию такого подхода и его реализации в виде научно обоснованной методики расчета допусков и исполнительных размеров, а также проектов новых стандартов на размерные режущие инструменты на примере метчиков и посвящена настоящая работа.
Разработка стандартов на размерные режущие инструменты на примере метчиков
Недостаточный научно-технический уровень действующих стандартов на метчики: ГОСТ 3266-81 «Метчики машинно-ручные. Конструкция и размеры», ГОСТ 3449-84 «Метчики. Технические условия», ГОСТ 16925-93 «Метчики. Допуски на резьбу» и ГОСТ 17039-71 «Метчики. Исполнительные размеры» и, как следствие, невозможность обеспечения гарантированной точности обработки стандартными метчиками на практике, определили необходимость пересмотра и обновления данного комплекта документов. Разработка новых стандартов на метчики осуществлялась на основе новой методологии построения системы стандартов на размерные режущие инструменты с учетом актуальных положений действующих ГОСТов и добавлением новых научно обоснованных современных положений и требований.
Комплект новых стандартов на метчики машинно-ручные, предназначенные для формирования метрической резьбы по ГОСТ 24705-81 «Резьба метрическая. Основные размеры», состоит из двух основных документов: стандарта приобретателя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Основные параметры и технические характеристики» и стандарта изготовителя «Метчики машинно-ручные для метрической резьбы. Технические условия», которые устанавливают основные положения и требования по применению и изготовлению данных размерных инструментов (рис. 3.3).
К основным параметрам и технических характеристикам метчиков, регламентируемым стандартом приобретателя, относятся:
- показатели назначения: классы точности инструмента и рекомендации по их применению;
- конструктивные показатели: типы; номинальный, габаритные и присоединительные размеры и др.
Условия эксплуатации (выбор переднего угла метчика; скорость резания и обрабатываемый материал; смазочно-охлаждающая жидкость и др.) хранения и транспортирования метчиков.
Параметры и технические требования по производству метчиков машинно-ручных для метрической резьбы, регламентируемые стандартом изготовителя, включают:
1) конструктивные размеры метчиков (рис. 3.8): общая длина L; длина рабочей части /; длина режущей части /j; длина ведущей калибрующей части
2) угол конуса ср; диаметр хвостовика di; внутренний диаметр переднего конца резьбы d3» углы метчика а и у; величины затылования К и затылования по профилю К ; параметры профиля стружечных канавок метчиков и др.; 2)технические требования:
- исполнительные размеры метчиков: наружный d0 внутренний dio и средний d2o Диаметры, предельные отклонения среднего диаметра Q{d , наружного диаметра e[d , шага ± др0 и угла профиля ± А —- резьбы;
- предельные отклонения размеров метчиков;
- допуски биения режущей части;
- параметры шероховатости рабочих поверхностей метчиков (профиля резьбы, передней и задней поверхностей);
- отклонения формы и расположения рабочих поверхностей;
- параметры твердости (рабочей части и хвостовиков), работоспособности и безотказности метчиков;
- технологические требования по изготовлению метчиков;
3) правила приемки метчиков;
4) методы контроля и испытаний точностных и геометрических параметров метчиков, их работоспособности и безотказности;
5) требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению.
Для достижения современного научно-технического уровня положений стандартов на размерные режущие инструменты на примере метчиков сформулирован комплексный методологический подход к обеспечению точности внутренних резьб, учитывающий все особенности обработки этими инструментами; разработана теоретическая модель процесса формирования метрических резьб метчиками; проведено экспериментальное исследование параметров точности серийно выпускаемых резьбообразующих инструментов и предложен методологический подход к определению суммарной погрешности обработки метчиками; создана и автоматизирована новая научно обоснованная методика расчета допусков и исполнительных размеров метчиков машинно-ручных для метрической резьбы по критерию обеспечения точности обрабатываемых резьб (гл. 4-5).
Новая методология построения системы стандартов на размерные режущие инструменты представлена на примере метчиков машинно-ручных. Содержание стандартов приобретателя и изготовителя на другие инструменты формируется аналогичным образом. Положения и требования новых документов должны быть научно обоснованы, а их практическое использование должно обеспечивать эффективное применение и изготовление инструментов.
Определение закона распределения погрешности угла профиля резьбы метчиков
Измерения угла профиля резьбы —- метчиков проводились на микроскопе универсальном ИМЦЛ 150x50 Б с ценой деления угловой шкалы — 1 мин в соответствии с методикой п. 2.4.2 данной работы. Контролю подвергались две партии стандартных метчиков М14х1,5 и М12х1,75 по 50 шт. каждого размера.
Формирование резьбы исследуемых метчиков Ml4x1,5 и Ml2x1,75 произведено многониточным шлифованием. Этот способ имеет очень большую производительность (в 10 раз больше однониточного), однако приводит к искажению угла профиля резьбы при параллельном расположении осей обрабатываемой детали и круга, и развалу впадины [18]. Искаженный профиль резьбы метчика затрудняет контроль его параметров на инструментальном микроскопе, что в свою очередь может сказаться на достоверности полученных результатов. В этой связи измерение половины угла профиля метчиков —- проводилось по правой (вогнутой) стороне профиля, которая является более контоле-пригодной, чем левая (выпуклая).
Результаты измерений отклонений угла профиля резьбы опытных партий метчиков Ml4x1,5 и Ml2x1,75 в порядке их получения представлены в табл.4.8.
По виду гистограмм (рис.4.9 а,б) можно сделать предположение о том, что возможной теоретической моделью данных распределений является треугольный закон Симпсона с плотностью вероятности.
Числовые характеристики данных статистических распределений, вычисленные по формулам (2.3; 2.4; 2.5), представлены в таблице 4.9.
Проверка статистической гипотезы о согласованности теоретического и статистического распределений проведена по критерию % Пирсона (табл.4.10).
Из табл.4.10 следует, что расхождение между теоретическим и статистическим распределениями могло бы появиться за счет только случайных причин с вероятностью р«0,8, поэтому, экспериментальные данные следует признать не противоречащими гипотезе о том, что случайная величина — погрешность угла профиля резьбы метчиков распределена по треугольному закону Симпсона.
Таким образом, в соответствии с результатами проведенных экспериментальных исследований элементарные погрешности, входящие в погрешность изготовления приведенного среднего диаметра резьбы шлифованных метчиков ЛсІ2о подчиняются следующим законам распределения вероятностей [75]:
а) погрешность изготовления собственно среднего диаметра резьбы метчика Ad2 - нормальному закону Гаусса ( Х\ = 1 /9 );
б) погрешность шага резьбы др0 - закону равной вероятности (Х-2 = 1/3);
в) погрешность угла профиля резьбы А—- -закону Симпсона (Я-з = 1/6).
Таким образом, элементарные составляющие, входящие в суммарный допуск приведенного среднего диметра ХТл , для шлифованных метчиков 2оПр 1-3 классов точности подчиняются следующему соотношению: Td2o:fao:fp0 = 8:1:0,71. (4.21)
Такой подход к расчету суммарной погрешности обработки метчиками и определению долей входящих в нее элементарных погрешностей в настоящее время отсутствует и должен быть учтен при создании новой методики расчета допусков и исполнительных размеров метчиков.
Результаты экспериментального исследования
Результаты исследований точности резьбовых отверстий, обработанных опытными метчиками М12х1,5-Н1 и М12х1,5-Н3 машинным и ручным способами представлены на рис. 5.3-5.5.
Результаты сравнения обобщенных экспериментальных данных приведенного среднего диаметра резьб Ml2x1,5, обработанных опытными метчиками машинным и ручным способами, с величинами полей допусков резьб степеней точности 4Н, 5Н и 6Н по ГОСТ 16093-81 «Резьба метрическая. Допуски. Посадки с зазором» представлены на рис. 5.5.
Из схем (рис. 5.3 и 5.4) видно, что разбивка среднего диаметра резьбового отверстия при обработке метчиками формируется под действием трех основных составляющих: осевых сил рос инструментальной оснастки, погрешности шага резьбы метчика др0 и других факторов технологической системы (погрешностей станка, температурных и т.п.), что подтверждает выражение (4.6) для расчета суммарной разбивки ЕТр (п.4.1). Причем суммарная погрешность разбивки от осевых сил как при машинном, так и при ручном способе обработки на всей длине отверстия составляет до 20% допуска на средний диаметр обрабатываемой резьбы, т.е. Трос да 0,2TD2 Разбивка среднего диаметра резьбового отверстия от действия погрешности изготовления шага резьбы метчика f р проявляется в виде конусности по всей длине формируемой резьбы с максимальной величиной на первых витках от входа инструмента независимо от способа обработки. Кроме того, на схемах (рис. 5.3, 5.4) прослеживается дополнительная разбивка первых 2-3 витков отверстия Трс из-за несбалансированности осевых сил технологической системы в момент врезания режущих зубьев заборного конуса метчика (рис.4.6), действие которой формирует излом эмпирических кривых среднего диаметра резьбы исследуемых деталей. Разбивка Т рс наблюдается как при машинной, так и при ручной обработке, причем ее величина в первом случае значительно выше, чем во втором.
Также проведенные исследования доказали правильность выведенной теоретической зависимости для расчета диаметральной компенсации погрешности шага резьбы метчика f р (форм. 4.3), так как для всех опытных метчиков независимо от способа обработки (машинным или вручную) f р » 3,464АР0 с достаточной долей точности (табл. 5.2).
Из таблицы видно, что экспериментальные и теоретические значения диаметральной компенсации погрешности шага резьбы метчика f р примерно равны с допустимой погрешностью расхождения.
Анализ обобщенных экспериментальных данных приведенного среднего диаметра резьб М12х1,5, обработанных опытными метчиками (рис. 5.5), показал, что ни метчик 1-го класса точности с погрешностью шага резьбы АР0 = +15 мкм, ни метчик 3-го класса с погрешностью шага резьбы ДР0 = +6 мкм при обработке машинным методом на первых витках обработанных резьбовых отверстий не обеспечивают заданной точности 4Н и 6Н соответственно.
Для обеспечения заданной точности резьбовых отверстий обработанных метчиками необходимо решить три основные задачи:
1) снизить влияние факторов технологической системы, приводящих к чрезмерному разбиванию первых витков отверстия от входа резьбообразующего инструмента;
2) уменьшить действие погрешности шага резьбы метчиков путем ужесточения допусков на точности шага при изготовлении резьбообразующих инструментов;
3) обеспечить достаточный запас поля допуска на разбивку при расчетах исполнительных размеров метчиков.
Вопросы, связанные с изучением и решением первой из перечисленных задач, в рамках данной работы не рассматривались, тогда как для решения второй и третьей задач на основе комплексного подхода к обеспечению точности внутренних резьб, разработана новая методика расчета допусков и исполнительных размеров метчиков машинно-ручных по критерию обеспечения точности обрабатываемых резьб (п. 4.3).
