Разработка методов и средств контроля сложнопрофильных деталей типа тел вращения

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Развитие машиностроения выдвигает постоянно возрастающие требования к качеству производимой техники и, следовательно, к техническому уровню, качеству, эффективности и надежности методов технического контроля, как составной части технологических процессов.

Одним из важных направлений развития современного машиностроения является двигателестроение, в том числе производство двигателей внутреннего сгорания. Современный двигатель внутреннего сгорания (автомобильный, тракторный) содержит несколько сотен деталей, до 60 — 70% которых составляют тела вращения, но важнейшими из них, определяющими технико-экономические характеристики двигателя, являются, безусловно, коленчатый вал, распределительный вал, поршень. Эти детали содержат от нескольких десятков до нескольких тысяч контролируемых параметров. Особенностью этих деталей является то, что основная масса их контролируемых параметров образована поверхностями вращения и по техническим условиям должна контролироваться при повороте изделия. Например, профиль кулачка задается таблично в координатах — угол поворота — подъем толкателя или угол поворота — радиус-вектор точки на поверхности кулачка.

Обследование ряда машиностроительных предприятий выявило крайне низкую их техническую оснащенность методами и средствами контроля основных деталей двигателей внутреннего сгорания — распредвалов, коленвалов и сопутствующих деталей. За исключением единичных предприятий, оснащенных образцами зарубежных приборов, требующих ремонта и модернизации, заводы имеют на вооружении только оптические делительные головки и длиномеры и не могут обеспечить контроль в соответствии с требованиями чертежа. При этом трудоемкость контроля слишком велика (до 2-х-З-х смен на один распредвал), что не позволяет оперативно контролировать ход производства.

Необходимо также отметить, что существующие сегодня средства автоматизации размерного контроля — координатно-измерительные машины традиционного исполнения в виде трехкоординатных устройств с перемещениями измерительных головок касания по координатам X, Y, Z не приспособлены для контроля тел вращения. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на повышение точности и производительности контроля этих деталей и it вооружение конструктора, технолога, изготовителя и контролера быстродействующими автоматизированными методами и средствами объективного контроля в соответствии с требованиями конструкторской документации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в исследовании и разработке координатных методов контроля сложно-профильных деталей типа тел вращения, создании нового класса специализированных координатно-измерительных машин повышенной точности и производительности.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ базировались на фундаментальных положениях технологии машиностроения, метрологии, размерного анализа. Использовались теория классификации деталей машин и контролируемых параметров, теория машин и механизмов, численные методы анализа, теория погрешностей измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработана методика контроля сложно-профильных деталей типа тел вращения и выполнена экспериментальная проверка точного измерения размеров, формы и расположения поверхностей тел вращения на КИМ-ТВ, работающих в полярной системе координат, состоящая из синтеза прямых одновременных измерений линейных и круговых координат с соблюдением принципа Аббе ^ на специально разработанных координатно-измерительных машинах особого типа методом сканирования контролируемых поверхностей с одновременной математической обработкой результатов измерений по специальным матмоде-лям, обеспечивающая существенное повышение точности и производительности контроля.

2. Разработаны математические модели расчета контролируемых пара-4 метров тел вращения, в том числе математические модели абсолютных измерений диаметров, а также математические модели пересчета подъемов кулачков, измеряемых плоским или роликовым толкателем в полярные координаты профиля кулачка и обратно.

3. Разработаны математические модели расчета подъемов кулачков, измеренных плоским, роликовым или точечным толкателем относительно любых баз по выбору оператора: затылка кулачкатехнологических центровоси, проходящей через центры крайних опорных шеекоси, проходящей через центры ближайших к кулачку опорных шеек.

4. Выполнен теоретический анализ источников погрешностей контролируемых угловых и линейных геометрических параметров. Разработаны математические модели погрешностей измерений контролируемых параметров на КИМ-ТВ. Проведены теоретические и экспериментальные исследования значений величин погрешностей. На базе этих исследований определены пределы допускаемых погрешностей и разработаны методики поверки КИМ-ТВ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. * В работе приводятся сведения о структуре деталей двигателей внутреннего сгорания, структуре контролируемых параметров в технологических процессах базовых деталей ДВС — распредвалов и коленвалов, математических моделях расчета контролируемых параметров при контроле их в полярной системе координат, устройстве, технических характеристиках и преимуществах разра-4 ботанных технологических средств контроля.

Первая глава диссертации содержит данные анализа структуры, методов и средств контроля деталей двигателей внутреннего сгорания, метрологических схем контроля геометрических параметров распредвалов и коленвалов, технико-экономических показателей применяемых методов контроля.

На основе анализа структуры контролируемых параметров тел вращения Ф на примере распредвалов, коленвалов и схем измерения их контролируемых параметров предложена единая метрологическая схема контроля цилиндрических и криволинейных элементов тел вращения, положенная в основу конструкции специализированных координатно-измерительных машин.

Во второй главе диссертации описаны научно обоснованные математические модели расчета параметров размера и формы цилиндрических и криволинейных поверхностей тел вращения при измерении их в полярной системе координат с учетом различия измерительных и конструкторских баз, а также мат* модели пересчета подъемов кулачков, измеряемых плоским или роликовым толкателем в подъемы радиусов — векторов.

В третьей главе приведены результаты теоретического анализа источников погрешностей разработанных методов контроля, применяемых в технологии изготовления распредвалов и коленвалов.

Проведен анализ источников погрешностей измерений, разработаны математические модели расчета погрешностей и дана оценка точности контроля в технологических процессах изготовления распредвалов и коленвалов. * В четвертой главе рассмотрена методика оценки эффективности и производительности созданных КИМ в сравнении с существующими методами контроля тел вращения.

В пятой главе обоснована необходимость и целесообразность создания 2-х и 3-х координатных специализированных координатно-измерительных машин для контроля тел вращения и контролируемых элементов деталей произвольной формы, образованных цилиндрическими, коническими, сферическими, криволинейными поверхностями, работающих в полярной системе координат. Описаны конструктивные особенности разработанных автоматических и полуавтоматических установок и приборов для контроля распредвалов и коленва-лов.

Приведено описание структуры программного обеспечения установок для автоматического и полуавтоматического контроля распредвалов, копиров и ко-ленвалов.

В заключение приводятся выводы по выполненной работе. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Разработаны математические модели расчета контролируемых параметров распредвалов и коленвалов ДВС, рабочая методика оценки погрешности специализированных координатно-измерительных машин, комплект рабочих программ обработки результатов измерения, гамма специализированных полуавтоматических координатно-измерительных машин моделей КИП-1, КИП-2, КИП-3, КИМ-П384, КИМ-П397, КИМ ТВ-500, КИМ ТВ-800, внедренных на Волжском автомобильном заводе, Заволжском моторном заводе, Чугуевском заводе топливной аппаратуры, Ульяновском моторном заводе, которые позволили существенно повысить точность и производительность контроля, значительно расширить возможности контроля, в особенности кулачковых валов и коленвалов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы доложены на международной автомобильной конференции в августе 2001 г. в Москве.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам исследования опубликовано 11 статей, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В представленной к защите работе комплексно решена задача организации технического контроля командных деталей двигателей внутреннего сгорания — распределительных и коленчатых валов ДВС. Комплексность решения этой задачи заключается в следующем:

— проведен конструкторско-метрологический анализ структуры деталей двигателей внутреннего сгоранияпоказано, что 58% деталей являются телами вращения;

— в качестве объекта исследования выбраны распредвалы и коленвалы, как наиболее сложные, трудоемкие и важные детали ДВС;

— проведен анализ контролируемых геометрических параметров распредвалов и коленвалов и составлена их структура, в результате которого установлено, что выбранные детали содержат все основные контролируемые параметры, характерные для тел вращения;

— проведен анализ технологических процессов изготовления коленвалов и распредвалов, показавший, что современное состояние технологии требует 100% -го контроля выбранных изделий;

— проведен анализ применяемых в автомобилестроении и прогрессивных средств контроля коленвалов и распредвалов ДВС, трудоемкости и качества применяемых методов контроля. Показано, что трудоемкость контроля слишком велика (до 2-х — 3-х смен на одно изделие), а содержание контрольных операций распредвалов не соответствует требованиям конструкторской документации — не может быть обеспечен контроль подъемов кулачков относительно конструкторских баз и надежный контроль профиля кулачка;

— на основе проведенного анализа требований КД и существующих методов и приемов контроля обоснована и выбрана прогрессивная структурная схема специализированных 2-х и 3-х координатных измерительных машин для работы в полярной системе координат, пригодная для контроля любых тел вращения;

— разработан комплекс математических моделей расчета геометрических параметров, контролируемых в полярной системе координат;

— проведен анализ источников погрешностей в выбранной схеме контроля, составлен перечень частных погрешностей, разработаны методы и матмодели расчета этих погрешностей, выполнена численная оценка их величин;

— с использованием разработанных математических моделей расчета контролируемых геометрических параметров и известных методов оценивания погрешностей измерений проведены расчеты численных значений погрешностей косвенных измерений каждого контролируемого параметра и таким образом определены суммарные расчетные погрешности измерений;

— проведено экспериментальное исследование погрешностей контролируемых геометрических параметров, сравнение их с суммарными расчетными погрешностями и предельными допустимыми погрешностями измерения. Установлено, что во всех исследованных случаях суммарные расчетные погрешности достаточно удовлетворительно совпадают с экспериментальными, что подтверждает правильность проведенных расчетов погрешностей и во всех случаях существенно ниже предельно допустимой погрешности;

— проведенный анализ источников и величин погрешностей измерений в разработанной структурной схеме КИМ-ТВ, а также разработанные математические модели расчета контролируемых геометрических параметров положены в основу конкретных конструкций установок и их программно-математического обеспечения, успешно внедренных в производство;

— анализ источников и величин погрешностей измерений позволил разработать перечень и значения допустимых поверяемых параметров, положенный в основу методик поверки созданных установок.

Таким образом, комплексно решена задача существенного расширения возможностей обеспечения конструкторских требований повышения точности и снижения трудоемкости контроля командных деталей двигателей внутреннего сгорания — коленчатых и распределительных валов ДВС.

На основании проделанной работы получены следующие результаты:

1. Разработан и исследован новый координатный метод контроля сложно профильных деталей типа тел вращения, таких как распредвал и коленвал двигателя внутреннего сгорания.

2. Разработан комплекс математических моделей расчета подъемов выпуклых и вогнутых кулачков при измерении плоским, роликовым и точечным толкателем относительно различных баз: затылка кулачкатехнологических центровоси, проходящей через центры крайних опорных шеекоси, проходящей через центры ближайших к кулачку опорных шеек.

3. Создан новый класс специализированных координатно-измерительных машин на базе проведенных исследований и разработок.

4. Разработаны математические модели погрешностей измерений контролируемых параметров распредвалов и коленвалов на специальной координатно-измерительной машине, проведены теоретические и экспериментальные исследования погрешностей.

5. Разработаны методики и программы испытаний, разработана спец оснастка для поверки новых средств контроля, которые прошли апробацию на заводах автомобильной промышленности.

6. Изготовлены, внедрены и успешно эксплуатируются 7 единиц специализированных координатно-измерительных машин на моторных заводах автомобильной промышленности (АвтоВАЗ, ЗМЗ, ЧЗТА и УМЗ).

7. Разработана методика расчета производительности для созданных КИМ-ТВ, производительность которых выше существующих средств контроля от 5 до 100 раз.