CC BY
60
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 658.512-52+681.3.06+621.753+621.002.2+378.016 Ю.А. Мокрушин, В.Ю. Шамин
ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОГО РАЗМЕРНОГО АНАЛИЗА КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Рассмотрены вопросы качества и экономичности изготовления деталей машин за счет размерного анализа конструкторско-технологической документации.
Ключевые слова: размерный анализ, технические условия на изготовление, качество, экономичность.
Низкое качество многих российских изделий машиностроения, по сравнению с аналогичной продукцией иностранных фирм, наносит России огромный материальный и моральный ущерб.
Повышение требования к качеству изделий в связи с принятием России во Всемирную торговую организацию, выход на международный рынок требуют конструирования, постановки на производство и изготовления изделий высокого качества. В сжатые сроки на рынок должны быть поставлены на продажу изделия с техническими данными, превышающими мировой уровень.
В мировой практике известно, что в первую очередь технология и ее соблюдение при производстве изделий определяли и будут определять высокое качество изделий. Высокое качество изделий, изготовляемых в условиях крупносерийного и массового производства (автомобили, мотоциклы, стиральные машины, стрелковое вооружение и т.п.) обеспечивается изготовлением деталей на настроенных станках, сборкой в узлы и изделия на основе полной взаимозаменяемости. Это требует очень тщательной технико-экономической проработки принимаемых технических решений и больших затрат на освоение, так как при этом используются дорогостоящие точное автоматизированное оборудование, технологическая оснастка и средства контроля.
Анализ более 500 действующих технологических процессов (ТП) механической обработки деталей изделий многих предприятий Западного Урала, выполненный нами по разработанной в конце ХХ в. методике профессора В.В. Матвеева [1], показал, что большинство проанализированных ТП имеют существенные недостатки с точки зрения стабильности обеспечения качества деталей и изделий в целом [2].
Надежная работа многих высокоскоростных машин и механизмов обеспечивается точностью изготовления подшипников.
В настоящее время имеется мощное средство контроля, анализа и совершенствования технологических процессов механической обработки, особенно на этапе проектирования, основанное на расчетах размерно-точностных связей чертежей деталей, заготовок и технологических эскизов на ЭВМ, однако это пока еще мало используется на наших предприятиях [1-3].
В качестве примера рассмотрим комплексный размерный анализ конструкторско-технологической документации на высоконагруженный шариковый подшипник серии 180306, используемый в автомобилях «Жигули» и «Камаз».
На момент заключения договора о совместной научно-исследовательской работе предприятие за первую половину года потеряло более 6,5 млн. руб. от брака деталей подшипников (табл. 1).
Проводился анализ конструкторско-технологической документации изготовления подшипников, давно освоенной и доведенной до нормали отрасли. Использовались методики размерного анализа [1; 3], вероятностно-статистического анализа точности обработки [4], методики и правил технологичной простановки размеров на чертежах деталей [5], методики технико-экономического обоснования вариантов технологий на этапе их проектирования [2].
Анализ технических требований чертежей изделия
Сборочный чертеж - 180306 АС17.СБ - подшипник шариковый радиальный однорядный с двумя уплотнениями, 180306 А.01 - кольцо наружное, 180306 А.02 - кольцо внутреннее - выполнены по требованиям стандартов ЕСКД, техническим требованиям ГОСТ 520-89: класс точности 0, непостоянство диаметра дорожки качения определено по РТМ 37.006.450-86, основные размеры определены по РТМ 37.006.368-82.
Основные технические требования сборочного чертежа
Радиальное биение наружного кольца по 072,ООО_о 013 - относительно отверстия внутреннего кольца 030,00_001 - 0,025 мм.
Радиальное биение отверстия внутреннего кольца 030,00_0 01 - относительно 072,000_0 013
наружного кольца - 0,013 мм.
Осевое биение торца наружного кольца относительно торца внутреннего кольца - 0,04 мм; осевое биение внутреннего кольца относительно торца наружного кольца при контроле на оправке - не более 0,04 мм; при контроле без оправки - не более 0,024 мм.
Технические требования на изготовление кольца наружного
Радиальное биение дорожки качения 0 64,303±0,025 относительно наружного диаметра 072,000_0013 - 0,021 мм.
Параллельность торцов кольца - 0,02 мм.
Положение вертикальной оси дорожки качения относительно базового торца - 0,034 мм. Непостоянство диаметра дорожки качения - не более 0,01 мм.
Расположение дорожки качения относительно базового торца - 9,5±0,04.
Технические требования на изготовление кольца внутреннего Параллельность дорожки качения относительно базового торца кольца - 0,02 мм.
Положение торца кольца относительно внутреннего отверстия 030_0 01 - 0,02 мм.
Положение дорожки качения относительно внутреннего отверстия 030_0 01 - 0,011 мм.
Расположение дорожки качения относительно базового торца - 9,5±0,04.
Анализ данных о браке колец наружного и внутреннего подшипника 180306
Проводился анализ наличия брака в цехах предприятия по данным отчетов о поступлении брака в изолятор (дело №7).
Основные виды и количество брака по операциям технологий приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные виды брака колец наружного и внутреннего подшипника 180306
Наименование параметров забракованных колец Наружные кольца Внутренние кольца
Количество, шт. Доля от общего брака, % Количество, шт. Доля от общего брака, %
1 2 3 4 5
Низкие (конус) 851 3,7
0 посадочной поверхности 77 0,6 6430 28,0
Срезы желоба 205 1,7 257 1,1
Ржавые 752 6,2 355 1,6
Ожоги 240 2,0 28 0,1
Профиль дорожки качения 645 5,3 1268 5,5
Овальные 141 1,2 770 3,3
0 дорожки качения 3739 30,9 2693 11,7
Параллельность дорожки качения 61 5,2 138 0,6
Положение дорожки качения 1519 12,6 500 2,2
8 кл. 4156 34,4 9706 42,2
Итого 12085 100% 22996 100%
Доля брака от общего выпуска за 1 год, % 0,64 1,06
Потери от брака на шлифовальных операциях по заводу за полугодие, руб.
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь
742320 2920458 345217 1366983 259459 1083895
Из табл. 1 видно, что наибольшее количество брака - по диаметру дорожки качения и ее положению.
Потери завода от брака на финишных шлифовальных операциях значительны.
В статье рассмотрим только размерный анализ положения дорожки качения по техническим требованиям чертежей и формирование положения дорожки качения по операциям технологического процесса. Выполнение дорожки качения согласно требованиям определяет надежность и долговечность работы подшипника.
По конструкторско-технологической документации составим размерную схему положения дорожки качения (рис. 1).
Положение дорожки качения по требованиям сборочного чертежа
По техническим требованиям сборочного чертежа 180306АС17.Сб. контролируется:
а) осевое биение внутреннего кольца относительно базового торца В наружного кольца:
при контроле на оправке - не более 0,04 мм;
при контроле без оправки - не более 0,024 мм;
б) осевое биение наружного кольца относительно базового торца Г внутреннего кольца - не более 0,04 мм. Учитываем, что осевое биение наружного и внутреннего колец относительно базовых торцов В и Г
[боб] = 19-0,12 +0±0,°4 - 9,5-0,06 = 9,510;1б.
Положение вертикальной оси качения шариков может колебаться в пределах [5] = 0,26.
Положение дорожки качения по чертежам внутреннего и наружного колец
1. Внутреннее и наружное кольца (рис. 1).
19-0,12 - 9,5± 0,04 = 9,5!0;064
Допуск симметричности положения оси дорожки качения относительно торцов:
[5] = 9,5± 0,4 - 9,5!0;0б4 = 0 ^ [5] = 0,28
0.28.> 0,08 (допуск размера 9,5±0,04).
±0,04
Это говорит о том, что задание оси дорожки качения координатным размером 9,5 от одного базового торца не обеспечивает симметричности ее расположения относительно обоих торцов подшипника уже в рабочих чертежах на изделие.
Анализ положения дорожки качения в результате формирования ее по действующему технологическому процессу
1. Внутреннее кольцо.
[5т] = 19:0,03 - 9,5-0,03 = 9,5!0’,03.
Допуск симметричности положения дорожки качения
[5] = 9,5-0,03 - 9,5:0:02 = 0:0;055 ; [5] = 0,08.
Допуск на размер 9,5±0,04 по чертежу равен 5черт. = 0,08; 5т = 0,08 по действующей технологии.
Таким образом, действующая технология за счет ужесточения допуска на размер 9,5 обеспечивает положение дорожки качения относительно базового торца на внутреннем кольце.
2. Наружное кольцо.
[5т] = 19:0,03 - 9,5-0,04 = 9,5:0,03.
Допуск симметричности положения дорожки качения
гот _ о < О с:0,03 _ г\:0,03 .
[5] = 9,5-0,04 - 9,5 :0,03 = 0:0,07 ;
5Т = 0,1 > 5черт. = 0,08.
На наружном кольце возможен брак на отдельных кольцах по положению дорожки качения, так как поле допуска по технологии шире допустимого отклонения симметричности положения дорожки по чертежу на наружное кольцо.
2012. Вып. 2 ЭКОНОМИКА И ПРАВО
Ось Ось
кольца дорожки
10 50 60 100
Заготовка после токарного автомата Внутр. кольцо 19,25Х0,0°
0+0,05
Наруж. кольцо 19,25+0,08
0+0,06
Дейст- вующий техно- логический процесс Внутр. кольцо 1 9+0,01 ^-0,03 со ,0 0, &
[5т]
Наруж. кольцо 1 9+0,01 1:7-0,03
[5т] 4 ,0 0, &
На чертежах деталей Внутр. кольцо 19-0,12
[5ч] 9 5+0,04
Наруж. кольцо 19-0,12
[5ч] 9 5+0,04 ^
На сборочном чертеже , 19-0,12
[5сб] 0+0,04 6 ,0 0,
Рис. 1. Размерная схема положения дорожки качения
Статистический анализ точности и стабильности обработки по операциям технологических процессов колец подшипника 180306
Основными задачами статистического анализа являются [4]:
- выявление устойчивости исследуемого технологического процесса по обеспечению точности выполняемых размеров в соответствии с техническими требованиями;
- выявление факторов, влияющих на величину случайных и систематических погрешностей механической обработки;
- определение показателей точности технологического процесса;
- определение вероятного процента брака.
Статистический анализ точности и стабильности технологического процесса дает возможность разработать мероприятия по обеспечению точности изготовления деталей в соответствии с техническими требованиями и определить границы статистического регулирования технологических процес-
сов, определить допуски на настройку оборудования, время на подналадку, выявить зависимость между погрешностями обработки на смежных операциях.
Статистический анализ точности и стабильности процесса механической обработки проводят тремя основными методами [6]: методом больших выборок, методом малых выборок и методом точечных диаграмм. На практике наиболее предпочтительным является метод малых выборок. Основными его преимуществами перед другими методами являются, во-первых, минимальный объем замеров и вычислительных работ, во-вторых, возможность следить за динамикой изменения точности процесса во времени.
Проводили статистическую обработку данных замеров, полученных на операциях механической обработки, определяли наличие в технологическом процессе грубых нарушений или систематических погрешностей, влияющих на точность обработки. Величину поля рассеяния - основного показателя качества механической обработки, соотношение между полем рассеяния и допуском (коэффициент точности), допустимый и фактический коэффициенты настроенности, вероятный процент исправимого и неисправимого брака подсчитывали по формулам, приведенным в [4].
Все вышеуказанные параметры технологической операции рассчитывались автоматизированно по специально разработанной программе [2].
Расчет велся по методике малых выборок, число замеров 30, количество обрабатываемых заготовок в партии для расчета - 1000 шт.
Статистический анализ операций технологического процесса изготовления колец высокона-груженного подшипника 180306 проводился в целях выявления причин брака на операциях, установления соответствия выполняемых размеров и размеров по технологии, определения величины деформаций размеров заготовок после термической обработки и формирования положения дорожки качения по операциям технологии.
Таблица 2
Формирование положения дорожки качения по операциям технологических процессов (данные статанализа)
Наименование операций Размер по технологии, мм Среднестатистическое значение размеров, мм
от первого торца поле рассеяния от второго торца поле рассеяния
Кольцо наружное 180306 А.01
010. Токарно-автоматная — 0,12 9,61 0,07 9,64 0,08
075. Торцешлифовальная - 9,44 0,13 9,44 0,12
120. Желобошлифовальная 9,5-0,04 9,5 0,28 9,5 0,06
Кольцо внутреннее 180306 А.02
005. Токарно-автоматная — 0,1 - - - -
075. Торцешлифовальная - 9,40 0,095 9,4 0,055
130. Желобошлифовальная - 9,48 0,022 9,48 0,024
150. Полировальная - 9,48 0,022 9,49 0,008
Результаты по замерам и статистической обработке данных о точности и стабильности технологических операций изготовления наружных и внутренних колец подшипника 180306:
1. Токарно-автоматные операции получения заготовок колец подшипника 180306 обеспечивают технические условия на их изготовление.
2. После термической обработки основные размеры колец увеличиваются на 0,02^0,05 мм при практически неизменной их геометрии.
3. Торцешлифовальные операции не обеспечивают получение очень жесткого допуска размера 191003 по требованиям действующей технологии на заготовках наружного и внутреннего колец, вероятность появления брака достигает 30%.
4. Бесцентрово- и внутришлифовальные операции обеспечивают точность получения размеров
колец. Появление вероятного брака связано с настройкой станков.
5. Желобошлифовальные операции не обеспечивают точность получения 064,283±0,02 и 039,717±0,02, поэтому вероятный процент годных деталей только 87. Операции обеспечивают технические требования на симметричность положения дорожки качения, которые соблюдаются на токарно-автоматных операциях, нарушаются при выполнении торцешлифовальных и окончательно формируются на данных операциях.
Предложения по совершенствованию конструкторско-технологической документации на подшипник 180306
Комплексный анализ чертежей 180306А.01 и 180306А.02, наружного и внутреннего колец и технологий их изготовления, проведенный с использованием методики размерного анализа, статистической обработки точности выполняемых технологических размеров, данных о браке цехов предприятия, позволил выявить недоработки конструкторско-технологической документации и наметить пути их устранения, разработать технологии, стабильно обеспечивающие качество, снижение материалоемкости и трудоемкости.
Анализ рабочих чертежей внутреннего и наружного колец подшипника, его назначения в подшипниковых узлах машин позволил выявить нетехнологичное задание осевого положения дорожки качения по ширине колец размером 9,5±0,04 от одного базового торца. При общей ширине колец 19_0д2 задание положения дорожки качения координирующим размером 9,5±0,04 от одного торца уже в рабочих чертежах определяет несимметричное ее положение относительно торцов колец. На практике при сборке в подшипниковый узел не определяют базовый торец подшипника. Торцы колец при их изготовлении обрабатываются на высокопроизводительном торцешлифовальном станке (шлифуются оба торца одновременно) без ориентации заготовок на базовый торец (торцы обезличены). Поэтому было предложено определить в рабочих чертежах осевое положение дорожки качения по ширине кольца не
с тем же
размером 9,5±0,04 от одного торца, а симметричностью относительно торцов Т 0,04
допуском. Тем самым было найдено технологичное решение задания на чертежах и выполнения положения дорожки качения на внутреннем и наружном кольцах, обеспечение требований сборочного чертежа осевого биения торцов колец в сборке. Это было отражено в рабочих чертежах на кольца, где осевое положение дорожки качения было задано допуском на несимметричность в пределах
Т 0,04
. Таким образом, появилась возможность совершенствования действующей технологии.
Размерный анализ проектных вариантов токарно-автоматных и шлифовально-полировальных операций на внутреннее и наружное кольца позволил составить технологии, где основные припуски и размеры токарно-автоматной заготовки уменьшились в среднем на 0,05 мм. Надо отметить, что технологичная простановка размеров на чертежах колец и технологических эскизах по операциям технологии их изготовления позволила не только уменьшить общие припуски на обработку, но и более равномерно их распределить по операциям при положительном их минимальном значении.
На операции 075 - торцешлифовальной в действующей технологии выставлен очень жесткий
допуск 0,02 мм на размер 1910 03, что связано с обеспечением выполнения размера чертежа 9,5±0,04 -
координаты осевого положения дорожки качения. Как показал статистический анализ точности обработки, этот жесткий допуск не обеспечивается оборудованием, поэтому на этой операции наибольшее количество брака по действующей технологии. С простановкой несимметричности в пределах удалось технологично задать положение дорожки качения относительно размера 19-006,
Т 0,04
увеличить допуск на него в три раза, что значительно сокращает трудоемкость изготовления (уменьшается число переналадок, измерений и т.п.) и брак на данной операции при обеспечении технических требований рабочих чертежей осевого положения дорожки качения.
Предложения по совершенствованию технической документации наружного и внутреннего колец подшипника 180306 и технологий их изготовления были реализованы в технологиях, по которым в условиях действующего производства были пропущены опытные партии.
Наружные и внутренние кольца подшипника 180306, изготовленные по опытной технологии с припусками под шлифовально-суперфинишные операции на 0,05 мм меньшими, чем по действующей технологии, не имели черновин по всем обрабатываемым поверхностям.
Из 590 шт. заготовок наружных и 650 шт. внутренних колец только по два кольца были забракованы по отклонению положения дорожки качения.
Задание положения дорожки качения вместо координатного размера 9,5±004 от одного базового торца отклонением от симметричности с тем же допуском и контроль этого требования на торцешлифовальной операции повышает точность ее расположения.
Отшлифованные и принятые ОТК наружные кольца в количестве 588 шт. и внутренние 648 шт., изготовленные по опытной технологии, были переданы на сборку. После сборки подшипники приняты ОТК и отправлены на склад сбыта (выписка из акта испытаний изготовления деталей подшипников по опытным технологиям).
Проведенная научно-исследовательская работа по комплексному размерному анализу колец подшипника 180306 подтверждена актом внедрения на предприятии.
Расчет снижения затрат на шлифовальные операции наружного и внутреннего колец подшипника 180306
Годовую экономию от внедрения в производство предложений по совершенствованию технологий изготовления колец подшипника рассчитывали в экономической службе предприятия по снижению элементов затрат себестоимости изготовления колец. Учитывая то, что сравнение велось близких по исполнению вариантов технологий при неизменном технологическом маршруте, с использованием того же оборудования, экономический эффект был рассчитан по неполной технологической себестоимости (по прямым затратам) по методике [7], табл. 3.
Таблица 3
Расчет снижения трудоемкости и прямых затрат на шлифовальные операции наружного
и внутреннего колец подшипника
№ п/ п Операции технологического процесса Снижение по статьям затрат на 1000 колец Сумма снижения затрат, руб.
трудоем- кость, час ЗП основных рабочих, руб. силовая элек-троэнер-гия, руб. шлиф. круги, руб. сжатый воздух, руб.
Наружное кольцо
1 Т орцешлифовальная - - - 0,155 - 0,155
2 Бесцентровошлифовальная (предв арительная) 0,387 2,65 1,8 0,525 0,53 5,5
3 Желобошлифов альная 0,483 3,28 0,45 3,56 0,66 7,95
Внутреннее кольцо
1 Т орцешлифовальная - - - 0,155 - 0,155
2 Бесцентровошлифовальная - - - 1,470 - 1,470
3 Внутришлифовальная 0,217 1,50 0,21 0,810 0,3 2,82
4 Желобошлифов альная 0,067 0,46 0,045 0,462 0,092 1,06
Общее снижение затрат на 1000 колец 1,154 7,89 2,51 7,137 1,58 19,117
Снижение затрат на годовую программу 600000 шт. 692,4 4734 1506 4282,2 948 11470,2
Общие выводы по комплексному анализу чертежей на подшипник 180306 и технологии изготовления его деталей
1. Полученные результаты по комплексному анализу чертежей на подшипник 180306 и технологических процессов изготовления его деталей подтверждаются данными цехов о браке.
2. Причиной повышенного брака является нестабильность технологических процессов и нетехнологичное задание положения дорожки качения от одного торца размером 9,5±0,04 в чертежах деталей.
3. Ужесточение допусков выполняемых размеров в действующей технологии по сравнению с чертежными размерами не обеспечивает необходимые требования по точности формы и расположению поверхностей, а только приводит к увеличению трудоемкости изготовления.
4. Результаты данной работы говорят о том, что, используя методы размерного и статистического анализа, не неся материальных затрат, получим вариант технологии, обеспечивающий технические требования на изготовление.
5. Общий экономический эффект по прямым технологическим затратам от предложений по совершенствованию технологий изготовления колец подшипника 180306 составил 11470 руб. (с учетом накладных расходов это более 200000 руб. только по одному виду подшипников), при этом снижается трудоемкость изготовления на 4,1%, снижаются затраты на шлифовальные круги на 12% и расход шлифовальных кругов на 17,9%. Значительно будет снижен брак на финишных операциях. Выигрывает и потребитель, получая подшипники с меньшими отклонениями по положению дорожки качения, которые будут более долговечными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Размерный анализ технологических процессов / В.В. Матвеев, М.М. Тверской, Ф.И. Бойков и др. М.: Машиностроение, 1982. 264 с.
2. Мокрушин Ю.А., Костицына А.А. Проектирование и технико-экономический анализ технологических процессов: монография / под общ. ред. Ю.А. Мокрушина. Ижевск: Изд. дом «Удмуртский университет», 2000. 313 с.
3. Шамин В.Ю. Теория и практика размерно-точностного проектирования: монография. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. 520 с.
4. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 4-е изд., пере-раб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.
5. Мокрушин Ю.А., Пономарева Г.А. Выполнение и чтение чертежей деталей: учеб. пособие / под. общ. ред. Ю.А. Мокрушина. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1997. 100 с.
6. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1972. 226 с.
7. Расчеты по экономической эффективности новой техники: справочник / под общ. ред. К.М. Великанова. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1990. 448 с.
Поступила в редакцию 20.02.12
Yu.A. Mokrushin, V. Yu. Shamin
Economic significance of complex dimension analysis for ball-bearing design documentation
The article deals with the issues of quality and cost-efficiency of machinery components manufacturing that is made by dimensional analysis in design documentation package.
Keywords: dimensional analysis, quality, cost-efficiency, production specifications.
Мокрушин Юрий Андреевич, доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп. 4) E-mail: [email protected]
Mokrushin Yu.A.,
candidate of technical sciences, professor Udmurt State University
426034, Russia, Izhevsk, Universitetskaya st., 1/4 E-mail: [email protected]
Шамин Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, профессор Южно-Уральский государственный университет 454080, Россия, г. Челябинск, пр. Ленина, 76 E-mail: [email protected]
Shamin V.Yu.,
candidate of technical sciences, professor Udmurt State University
426034, Russia, Izhevsk, Universitetskaya st., 1/4 E-mail: [email protected]
