«МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ Рекомендовано Управлением среднего профессионального образования Министерства образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов образовательных ...»

Существуют дифференциальные пневматические измерительные приборы, принцип действия которых основан на измерении разности давлений в двух ветвях пневматической схемы измерительной и регулировочной. Принципиальная схема дифференциального пневматического прибора высокого давления показана на рис. 6.22, в.

Воздух после фильтра и стабилизатора давления 12 подводится к сухарю 6, проходит через входные сопла 8 и 14, которыми начинаются две ветви дифференциальной пневматической системы, и попадает в сильфоны 10 и 15 (упругие гофрированные металлические трубки, герметично закрытые с наружного конца). Воздух через сопло 8 поступает по шлангу к измерительному устройству 11, а через сопло 14 — к узлу регулирования противодавления, представляющему собой выходное сопло, в отверстие которого входит конический конец регулировочного винта 13. Внешние концы сильфонов 10 и 15 соединены между собой жесткой рамкой 7, подвешенной на параллелограмме из плоских пружин. Изменение давления в сильфонах вызывает смещение рамки в сторону большей его величины до тех пор, пока упругие силы сильфонов не уравновесят разность давлений в них. Рабочее перемещение сильфонов и рамки ограничено жесткими упорами 9. При движении рамки 7 рычажно-зубчатая передача 4–3 поворачивает стрелку 2, по которой производится отсчет на шкале 1. Показания прибора пропорциональны разности давлений в сильфонах. Зазоры в контактах K1 и K2 регулируются винтами 5.

6.6. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ

Средства автоматизации контроля можно классифицировать по различным признакам.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

По степени автоматизации они разделяются на полуавтоматические и автоматические.

В полуавтоматических устройствах (полуавтоматы) загрузка контролируемых деталей осуществляется вручную, а все остальные операции автоматически. В автоматических устройствах (автоматы) все процессы автоматизированы. Автоматы широко применяют для сортировки готовых деталей по группам размеров при селективной сборке, при 100%-ном контроле ответственных деталей, а также в тех случаях, когда нестабильность технологического процесса не позволяет применять выборочный контроль.

По воздействию на технологический процесс все средства контроля разделяют на пассивные и активные (управляющие). Пассивные средства контроля лишь фиксируют размер деталей, разделяя их на годные, брак неисправимый и исправимый (устройства для приемки деталей), или сортируют их на группы (контрольно-сортировочные устройства). Активные средства контроля вырабатывают сигнал о достижении деталью заданного размера в процессе ее обработки. Средства активного контроля как правило имеют обратную связь, позволяющую по результатам контроля воздействовать на положение исполнительных механизмов станка и производить подналадку. Активный или управляющий контроль целесообразно применять на финишных операциях (шлифование, хонингование), где требуется высокая точность обработки. Активный контроль широко используют в непрерывных производственных процессах, например, при прокатке листов, лент, труб, а также сварке протяжённых объектов. При активном контроле повышается точность обработки, предупреждается появление брака, устраняются потери времени на измерение детали.

В средствах активного и пассивного контроля, независимо от степени их автоматизации, в качестве измерительных устройств применяются различные измерительные преобразователи (датчики).

По принципу действия датчики могут быть: механические, оптические, электрические, радиационные, пневматические и др. Электрические преобразователи могут быть: электроконтактные, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические, механотронные. Наибольшее распространение получили электроконтактные датчики. Электроконтактные датчики предназначены для автоматизации линейных размеров деталей в светосигнальных многомерных приспособлениях, в контрольных автоматах и приборах активного контроля. По ГОСТ 3899—81 электроконтактные датчики делятся на два типа: предельные — для контроля предельных размеров деталей и амплитудные — для контроля амплитуды (разности между наибольшим и наименьшим значениями) изменяющегося размера, например, при контроле овальности, биения и других отклонений формы и взаимного расположения поверхностей. По назначению различают одно-, двух- и многопредельные электроконтактные датчики соответственно количеству пар контактов. По конструкции они могут быть рычажными и безрычажными, бесшкальными и шкальными. Шкальные датчики имеют стрелочный показывающий прибор, по которому можно визуально определять действительный размер детали. Схема бесшкального двухпредельного рычажного электроконтактного датчика показана на рис. 6.23. Измерительный стержень 2 и опирающийся на него рычаг 3 с закрепленным на нам контактом 4 занимают положение в соответствии с размером контролируемой детали 1.

В случае, если размер детали 1 находится в поле допуска, подвижный контакт 4 располагается между двумя неподвижными контактами 5 и 6, не касаясь их при этом горит желтая сигнальная лампочка Г (рис. 6.23, а).

В случае, если размер детали 1 превышает максимальный предельный размер, подвижный контакт 4 касается верхнего контакта 5, благодаря чему загорается зеленая сигнальная лампочка (+), свидетельствующая об условно исправимом браке. В случае, если размер детали 1 меньше минимального предельного размера, контакт 4 касается нижнего контакта 6, благодаря чему загорается красная сигнальная лампочка (—), свидетельствующая о неисправимом браке.

Датчик настраивают по двум образцам, имеющим наибольший и наименьший предельные размеры или по мерам длины, имеющим соотГ дельный датчик:

б — общий вид датчика

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

ветствующие размеры. При настройке на максимальный предельный размер верхний контакт 5 перемещается до соприкосновения с контактом 4; момент касания фиксируют по загоранию зеленой лампочки. При установке второго образца (наименьший предельный размер) перемещают нижний контакт 6 до тех пор, пока не загорится красная лампочка.

Конструктивное устройство преобразователя показана на рис. 6.23, б.

В направляющих втулках корпуса 4 перемещается измерительный стержень 8 со съемным наконечником 1. Хомутик 3 с прорезью, в которую входит запрессованный в корпус 4 направляющий шрифт 15, удерживает стержень 8 от поворота. Гайка 2 микроподачи 8 служит для перемещения стержня при настройке датчика. Измерительное усилие создается пружиной 6. Сверху в отверстие корпуса 4 вставляется индикатор (типа 1МИГ или 1ИГ), который крепится с помощью винта 9. Измерительный наконечник индикатора опирается на верхний торец стержня 8.

Индикатор необходим для настройки датчика для внесения поправок на отклонения действительных размеров настроечных образцов от предельных размеров детали. Пластмассовая планка 12 с рычагом 10 и настроечными винтами 14 образует узел, собираемый отдельно от датчика. Рычаг 10 подвешен на пружинном кресте и несет два подвижных контакта К1 и К2, расположенных по концам рычага против винтов 14 с контактами К3 и К4. Снаружи на этих винтах закреплены барабаны 11 и с ценой деления 0,002 мм, используемые для поднастройки датчика.

Связь рычага 10 с измерительным стержнем 8 осуществляется через хомутик 7, к которому припаяна пластинка из твердого сплава, опирающегося на корундовый штифт 5, образующий малое плечо рычага 10.

Перемещение стержня 8 вызывает угловое отклонение рычага и замыкание или размыкание соответствующих контактов, которые соединены с источником тока и усилителем. Погрешность срабатывания электроконтактных датчиков находится в пределах ±0,5 ±1,0 мкм.

Для устройств активного (управляющего контроля) применяют индуктивные датчики. Индуктивные датчики делятся на контактные и бесконтактные, безрычажные и рычажные, дифференциальные и недифференциальные. Схема контактного безрычажного дифференциального индуктивного прибора показана на рис. 6.24. Отклонение размеров проверяемой детали 1 вызывает перемещение измерительного стержня 2, на котором закреплен якорь 4, находящийся в воздушном зазоре между магнитопроводами индуктивных катушек 3 и 5. В зависимости от положения якоря меняется, сопротивление одной катушки возрастает, а другой уменьшается. При этом нарушается равновесие моста, образованного катушками 3 и 5 и сопротивлениями 6 и 8, который питается от стабилизированного генератора звуковой частоты 7. В результате в диагонали моста возникает ток, Рис. 6.24. Схема индуктивного дифференциального преобразователя направление которого определяется отклонением в ту или иную сторону измерительного стержня от среднего положения.

Отсчетный прибор 9, включенный в диагональ моста через фазочувствительный выпрямитель, показывает величину этого отклонения.

Индуктивные преобразователи могут применяться в универсальных измерительных приборах (вместо оптиметров и ультраоптиметров) для проверки особо точных деталей, например, концевых мер длины.

Автоматизация контроля может производиться одновременно по нескольким параметрам детали — многопараметрический контроль. При массовом и крупносерийном применяют контрольно-сортировочные полуавтоматы и автоматы. Контрольно-сортировочным автоматом является устройство, осуществляющее автоматическую загрузку, транспортирование, ориентирование, контроль и разбраковку или сортировку по группам для селективной сборки. Контрольно-сортировочным полуавтоматом называют устройство, автоматически осуществляющее контроль при ручной загрузке детали и ручном выполнении некоторых других операций.

Контрольно-сортировочные автоматы выпускают с датчиками механического действия, электронными и пневматическими. Механические датчики без преобразования измерительного импульса выполняют в виде предельных, клиновых и раздвижных калибров. Кроме того, бывают механические датчики с преобразованием (увеличением) измерительного импульса.

На рис. 6.25 показан контрольно-сортировочный автомат с клиновидными калибрами.

Из бункера 1 шарики (с диаметром 4 20 мм) попадают на две линейки 2, установленные под определенным углом между ними (при этом вершина угла обращена в сторону бункера) и под углом к горизонтали.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

Рис. 6.25. Контрольно-сортировочный автомат с клиновыми калибрами:

а — схема; б — общий вид Попадая на линейки, шарики катятся по ним, постепенно опускаясь (так как линейки образуют расширяющуюся щель). В этом месте, где расстояние между линейками равно диаметру контролируемого шарика, шарик проваливается и попадает в отсеки ящика 3. Количество отсеков — 5, т.е. детали сортируются на 5 групп. Допуск на сортировочную группу 2 5 мкм. Производительность автомата 9 тыс. шариков в час.

Для автоматизации контроля крупногабаритных деталей: валов прокатных станов, валов бумагоделательных машин, диаметров обечаек аппаратов, а также длин протяжённых изделий: длины проката размеров листовых материалов разработаны средства автоматизированного контроля, с использованием принципа обката образцовым роликом.

Глава 6. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

6.7. ТРЁХМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Трёхмерные оптические системы применяются для быстрой оцифровки бесконтактным методом сложных объектов. Трёхмерные оптические измерительные системы позволяют: получать математические модели объектов; проводить измерения размеров деталей; производить сравнение геометрических размеров моделей, деталей, оснастки с полученными при CAD-проектировании; проводить контроль качества. Основные преимущества этих систем следующие: бесконтактный оптический метод оцифровки; высокая скорость оцифровки геометрически сложных объектов; быстрая обработка оцифрованных данных;

назначение единой координатной системы для оцифрованных данных и для CAD данных; сравнение размеров и геометрии объектов с CAD данными; вывод результатов оцифровки в виде множества точек, трехмерных кривых на поверхности или файла. Трехмерные оптические системы относятся к системам компьютерного стереоскопического зрения.

Компьютерное стереоскопическое зрение можно сравнить со зрением человека. Отличительной особенностью человеческого зрения является то, что, получая посредством зрения информацию об окружающем пространстве, человек способен анализировать ее и на основе этого анализа принимать дальнейшее решение. Таким образом, под зрением понимаются две составляющие отображение — информации и ее дальнейший анализ. Приблизительно так же устроено и компьютерное зрение. Компьютер адекватно, в режиме реального времени, воспроизводит и запоминает (т. е. фотографирует) информацию об окружающем пространстве, а далее анализирует полученную информацию. Между человеческим и компьютерным зрением много общего. Человек способен видеть окружающий мир посредством глаз и анализировать полученную информацию, используя свой мозг. Компьютер воспринимает, т. е. видит, окружающий мир посредством электронных сенсоров, а проще говоря, посредством цифровых видеокамер, а анализ полученной информации возможен с помощью современных высокопроизводительных процессоров.

Человек получает информацию об окружающем пространстве посредством двух глаз, стереоскопическое компьютерное зрение реализуется с использованием двух видеокамер.

Цвет и яркость объекта являются двумя координатами, а расстояние до объекта — третья координата. Таким образом, воспринимаемая информация становится трехмерной, при этом яркость — это амплитуда электромагнитного излучения, частота — цвет объекта, фаза — объём.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

По этому принципу в Сибирском отделении Российской академии наук созданы установки для измерения геометрических размеров цилиндрических изделий «Бурун», наружных и внутренних размеров цилиндрических изделий «Блик-М».

Системы машинного зрения применяют для контроля качества различного вида продукции, в том числе вида и упаковки продуктов питания и фармацевтических изделий, регулировки ходовой части автомобилей и др.

Примером является система фирмы Bosch для высокоточного оптического анализа геометрии ходовой части. Она представляет собой оптическую систему, которая измеряет установку колес при помощи бесконтактной трехмерной технологии и параллельно определяет высоту транспортного средства в режиме реального времени. Таким образом, автосервисы получают в свое распоряжение новейший прецизионный измерительный инструмент, необходимый для точной и быстрой регулировки ходовой части современных автомобилей.

Для выполнения измерений автомобиль должен медленно проехать мимо четырех специальных стоек, расположенных вокруг измерительной площадки. Каждая из стоек оснащена двумя стереоскопическими видеокамерами, регистрирующими расположение маркеров на колесах и кузове. За доли секунды компьютер системы обрабатывает видеоданные, измеряя развал и схождение в момент прохождения между стойками. При этом учитывается компенсация биения обода, а также автоматически определяется высота транспортного средства и рассчитываются соответствующие требуемые значения. Если высота изменяется, эти значения автоматически обновляются, система также самостоятельно компенсирует неровное положение подъемника.

Системы машинного зрения применяют для контроля качества различного вида продукции, в том числе вида и упаковки продуктов питания и фармацевтических изделий.

ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ

7.1. ПОНЯТИЕ О ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ И ЕЁ ВИДАХ

Современное производство продукции организовано таким образом, что процессы изготовления деталей и сборки в изделия могут осуществляться в разных местах, цехах или даже на разных предприятиях. Составные части изделия, изготовленные независимо друг от друга и в первую очередь стандартные: крепежные детали, подшипники качения, электротехнические, резиновые, пластмассовые и другие, в том числе получаемые по кооперации от сторонних предприятий, должны обеспечивать сборку готовых изделий, удовлетворяющих требованиям технических регламентов и технических условий и, следовательно, иметь необходимое качество. Это становится возможным, когда при проектировании, изготовлении и эксплуатации изделий применяется принцип взаимозаменяемости, представляющим собой комплекс научно-технических и организационных мероприятий. Как говорилось в разделе 2.1, взаимозаменяемость является одной из целей стандартизации и является составляющей технического регулирования при производстве продукции.

Взаимозаменяемость — свойство составных частей изделия обеспечивать возможность его сборки в процессе изготовления и ремонта при эксплуатации с соблюдением установленных технических требований к готовому изделию. Составными частями изделия являются детали, сборочные единицы (узлы) и агрегаты, которые изготавливаются отдельно в нужном количестве, в зависимости от размера партии изделий и необходимости в запасных частях. Свойство взаимозаменяемости создаётся путём изготовления составных частей изделия с установленной точностью. Детали и узлы будут взаимозаменяемы, только тогда, когда их размеры, форма, физические свойства материала и другие, количественные и качественные характеристики находятся в заданных пределах.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

В зависимости от технико-экономических условий взаимозаменяемость может быть полной и неполной (ограниченной).

Полная взаимозаменяемость обеспечивается при выполнении геометрических, физико-механических и других параметров деталей с точностью, позволяющей производить сборку (или замену при ремонте) любых сопрягаемых деталей и сборочных единиц (узлов) без какой бы то ни было дополнительной их обработки, подбора или регулирования и получать изделия требуемого качества. В этом случае точность сборки всех экземпляров одноименных соединений или узлов (блоков) будет находиться в допускаемых пределах. Полная взаимозаменяемость обладает следующими преимуществами: упрощается процесс сборки, он сводится к простому соединению деталей рабочими невысокой квалификации;

сборочный процесс точно нормируется во времени, легко укладывается в устанавливаемый темп работы и может быть организован поточным методом; создаются условия для автоматизации процессов изготовления и сборки изделий; возможны широкая специализация и кооперирование заводов (т. е. изготовление заводом-поставщиком ограниченной номенклатуры унифицированных изделий, узлов и деталей и поставка их заводу, выпускающему основные изделия); упрощается ремонт изделий, так как любая износившаяся или поломанная деталь или узел могут быть заменены новыми (запасными). Полную взаимозаменяемость экономически целесообразно применять, когда имеются условия, которые позволяют изготавливать детали с точностью не выше 6-го квалитета точности. Это встречается, например, в изделиях: состоящих из небольшого количества деталей; в изделиях к точности функциональных параметров (зазоров, натягов) которых не предъявляются высокие требования к точности; для которых главным является недопустимость выхода из границ допуска функциональных зазоров или натягов даже у части изделий.

В тех случаях, когда полная взаимозаменяемость становится экономически нецелесообразной, применяют неполную (ограниченную) взаимозаменяемость. При неполной (ограниченной) взаимозаменяемости для достижения требуемой точности функциональных параметров (зазоров, натягов) допускается групповой подбор деталей (селективная сборка), сборка по паспорту-формуляру, применение компенсаторов, регулирование положения некоторых составных частей изделия, пригонка по месту и другие дополнительные технологические мероприятия.

Принятие того или иного вида взаимозаменяемости при производстве изделий определяется многими факторами, главными из которых являются: выполнение требований технических регламентов и техниГлава 7. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ческих условий; объём выпуска, затраты на производство и эксплуатацию и др.

Составные части изделия могут обладать внешней или внутренней взаимозаменяемостью.

Внешняя взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость покупных и кооперируемых деталей и сборочных единиц по эксплуатационным показателям, а также по размерам, форме и качеству присоединительных поверхностей, т. е. таких, по которым взаимосвязанные узлы основного изделия соединяются между собой и с покупными и кооперируемыми изделиями. Например, в электродвигателях внешняя взаимозаменяемость осуществляется по числу оборотов вала и мощности, а также по размерам присоединительных поверхностей; в подшипниках качения — по диаметрам наружного и внутреннего колец, а также по классу точности.

Внутренняя взаимозаменяемость является относительной и распространяется на детали, которые входят в конкретные сборочные единицы (узлы, механизмы), как правило, собираемые методом селективной сборки. Примером изделий, в которых есть внешняя и внутренняя взаимозаменяемость являются подшипники качения. Все подшипники качения обладают внешней взаимозаменяемостью по наружному и внутреннему кольцам. Любой стандартный подшипник может быть заменён на аналогичный без потери качества. Тела качения и кольца имеют внутреннюю взаимозаменяемость, это означает, что они не могут быть использованы в любом другом аналогичном подшипнике.

Уровень взаимозаменяемости производства может характеризоваться коэффициентом взаимозаменяемости Кв, равным отношению трудоемкости изготовления взаимозаменяемых деталей и частей к общей трудоемкости изготовления изделия. Значение этого коэффициента может быть различным. Однако степень его приближения к единице является объективным показателем технического уровня производства.

Функциональная взаимозаменяемость — принцип проектирования, производства и эксплуатации, при котором требования к точности ответственных деталей и сборочных единиц назначаются исходя из установления взаимосвязи показателей качества изделия с функциональными параметрами. Функциональными параметрами являются геометрические, физико-механические и другие параметры, влияющие на эксплуатационные показатели изделий или служебные функции их деталей и узлов. Например, от величины зазора между поршнем и цилиндром (функционального параметра) зависит мощность и к.п.д. двигателей (эксплуатационные показатели), а в поршневых компрессорах — коэффициент подачи. Эти параметры названы функциональными, чтобы

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

подчеркнуть их связь со служебными функциями деталей, узлов и изделий.

7.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ

ПО ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Детали машин и других изделий ограничены замкнутыми поверхностями, которые могут быть участками цилиндрических, конических, сферических, плоских и других простых поверхностей. Различают номинальные геометрические поверхности, имеющие предписанные чертежом формы и размеры без неровностей и отклонений, и действительные (реальные) поверхности, полученные в результате обработки деталей, размеры которых определены путем измерения с допустимой погрешностью. Аналогично различают номинальный и действительный профили, номинальное и действительное расположение поверхностей и осей. Под профилем понимается линия пересечения (или контур сечения) поверхности плоскостью, ориентированной в заданном направлении. Действительные поверхности и профили отличаются от номинальных поверхностей.

В России действуют Единая система допусков и посадок (ЕСДП) и Основные нормы взаимозаменяемости, базирующиеся на стандартах и рекомендациях ИСО. ЕСДП распространяется на допуски размеров гладких (ограниченных цилиндрическими и плоскими поверхностями) элементов деталей и на посадки, образуемые при соединении этих деталей.

Основные нормы взаимозаменяемости содержат системы допусков и посадок на резьбы, зубчатые передачи, конуса и другие детали и соединения общего назначения.

При конструировании определяются размеры детали, характеризующие ее величину и форму. Они назначаются на основе результатов расчета деталей на прочность и жесткость, а также исходя из обеспечения технологичности конструкции и других показателей в соответствии с функциональным назначением детали. На чертеже должны быть проставлены размеры и точность, необходимые для изготовления детали и её контроля и обеспечения взаимозаменяемости.

Основные термины и определения в этой области установлены ГОСТ 25346—89 «Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений».

Размер — это числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т. д.) в выбранных единицах измерения.

По назначению различают размеры, определяющие величину и форму детали, координирующие, сборочные, габаритные и монтажные размеры.

Первые выбирают на основе результатов расчета деталей на прочность и жесткость, а также исходя из совершенства геометрических форм и обеспечения технологичности конструкции. Координирующие размеры (у деталей сложной формы и в узлах) определяют необходимое для правильной работы механизма, взаимное положение ответственных поверхностей и осей деталей или положение их относительно определенных поверхностей, линий или точек, называемых конструктивными базами. Сборочные и монтажные размеры характеризуют положение сборочных единиц (узлов) и комплектующих изделий по присоединительным поверхностям, а также положение основного изделия на месте монтажа. Габаритные размеры указываются по положению выступающих частей. Кроме того, могут быть технологические размеры, необходимые непосредственно для изготовления детали и ее контроля. При их определении конструктор должен предусматривать оптимальный способ и последовательность изготовления, а также контроля детали и в соответствии с этим проставлять размеры на чертеже. При описании реальной поверхности детали используют понятие текущего размера — переменный радиус-вектор, величина и направление которого изменяется в зависимости от расположения точек реального профиля.

Размеры могут быть номинальные, действительные и предельные.

Номинальный размер — размер, относительно которого определяются предельные размеры и который служит началом отсчета отклонений. Номинальный размер определяется, исходя из функционального назначения детали или узла, на основе кинематических, динамических, прочностных и других расчетов или выбирается из конструктивных, технологических, эксплуатационных, эстетических и других соображений. Значения размеров, полученные расчётом, округляются (как правило, в большую сторону) до стандартного значения, взятого из рядов предпочтительных чисел (ГОСТ 6636—69) и указываются на чертеже. Технологические межоперационные размеры, размеры, зависящие от других принятых размеров, а также размеры, регламентированные в стандартах на конкретные изделия (например, размеры среднего диаметра резьбы), могут и не соответствовать ГОСТ 6636—69.

Действительный размер — размер, установленный измерением с допустимой погрешностью.

Допускаемый диапазон размеров годной детали устанавливают предельные размеры. Действительный размер годной детали должен нахоМЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ диться между наибольшим и наименьшим предельными значениями размера.

Предельные размеры — два предельно допустимых размера, между которыми должен находиться или которым может быть равен действительный размер детали. Наибольший предельный размер — больший из двух предельных размеров, меньший — наименьший предельный размер.

ГОСТ 25346—89 устанавливает понятия проходного и непроходного пределов размера. Проходной предел — термин, применяемый к тому из двух предельных размеров, который соответствует максимальному количеству материала, а именно верхнему пределу для вала и нижнему пределу для отверстия (при применении предельных контрольных калибров речь идёт о предельном размере, проверяемом проходным калибром). Непроходной предел — термин, применяемый к тому из двух предельных размеров, который соответствует минимальному количеству материала, а именно нижнему пределу для вала и верхнему пределу для отверстия (при применении предельных калибров контрольных речь идет о предельном размере, проверяемом непроходным калибром). Чтобы гарантировать в наибольшей практически достижимой степени выполнение функциональных требований системы допусков и посадок, предельные размеры на предписанной длине должны быть истолкованы следующим образом. Для отверстия диаметр наибольшего правильного воображаемого цилиндра, который может быть вписан в отверстие так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегающей к отверстию без зазора), не должен быть меньше, чем проходной предел размера. Дополнительно наибольший диаметр в любом месте отверстия не должен превышать непроходного предела размера. Для валов диаметр наименьшего правильного воображаемого цилиндра, который может быть описан вокруг вала так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегающей к валу без зазора), не должен быть больше, чем проходной предел размера. Дополнительно минимальный диаметр в любом месте вала не должен быть меньше непроходного предела размера.

Отклонение (E) — это алгебраическая разность между действительным, предельным или текущим размером и соответствующим номинальным размером.

Действительное отклонение (Er) — это алгебраическая разность между действительным и номинальным размерами.

Предельное отклонение — это алгебраическая разность между предельным и номинальным размерами.

Верхнее предельное отклонение (Es) — алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами.

Нижнее предельное отклонение (Ei) — алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами.

Отклонения могут быть положительными или отрицательными. На чертежах номинальные и предельные линейные размеры и их отклонения проставляют в миллиметрах без указания единицы измерения (ГОСТ 2.307—68), например: 420,013; 420,024; 50 0,109 ; размеры и их предельные отклонения проставляют в градусах, минутах или секундах с указанием единицы, например, 0°3040. Предельные отклонения в таблицах указывают в микрометрах. Отклонения, равные по абсолютной величине, указывают одной цифрой со знаком плюс-минус, например 60±0,2; 120°±20°. Отклонение, равное нулю, на чертежах не проставляют. В этом случае проставляют только одно отклонение — положительное на месте верхнего или отрицательное на месте нижнего предельного отклонения, например, 100+ 0,02; 100– 0,02.

Допуск (Т) размера — это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами или абсолютное значение алгебраической разности между верхним и нижним отклонениями. Допуск всегда положителен. Он определяет допускаемое поле рассеяния действительных размеров годных деталей в партии, т. е. заданную точность изготовления. С уменьшением допуска качество изделий, как правило, улучшается, но стоимость производства увеличивается.

Для наглядного представления размеров, предельных отклонений и допусков, а также характера соединений используют графическое, схематическое изображение полей допусков, располагаемых относительно нулевой линии (рис. 7.1).

Нулевая линия — это линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются отклонения размеров при графическом изображении допусков и посадок. При горизонтальном расположении нулевой линии положительные отклонения откладываются вверх от нее, а отрицательные — вниз.

Поле допуска — это поле, ограниченное верхним и нижним отклонениями. Поле допуска определяется величиной допуска, а его положение относительно номинального размера определяется основным отклонением.

Основное отклонение(Eo) — одно из двух отклонений (верхнее или нижнее), определяющее положение поля допуска относительно нулевой

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

Рис. 7.1. Поля допусков отверстия и вала при посадке с зазором (отклонения отверстия положительны, отклонения вала отрицательны):

а — схема расположения полей допусков; б — соединение отверстия вала линии. Основное отклонение — это ближайшее расстояние от границы поля допуска до нулевой линии.

В готовых изделиях детали в большинстве случаев сопрягаются по своим формообразующим поверхностям, образуя соединения. Две или несколько подвижно или неподвижно соединяемых деталей называют сопрягаемыми. Поверхности, по которым происходит соединение деталей, называются сопрягаемыми поверхностями. Остальные поверхности называют несопрягаемыми (свободными). В соответствии с этим различают размеры сопрягаемых и несопрягаемых (свободных) поверхностей.

В соединении деталей, входящих одна в другую, есть охватывающие и охватываемые поверхности. Охватывающую поверхность называют отверстие, охватываемую — вал (рис.7.1). Термины «отверстие» и «вал» относятся не только к цилиндрическим деталям. Они могут быть применены к охватывающим и охватываемым поверхностям любой формы, в том числе не замкнутым, например, к плоским (паз и шпонка).

Размеры отверстий обозначают любыми заглавными буквами, например: A, B, G, Б, Ц и т.д., валов — строчными: a, b, g, б, ц и т.д. Предельные размеры обозначают с индексами max — наибольший предельный размер, min — наименьший предельный размер, например: Amax, Bmin, amax, bmin. Предельные отклонения отверстий обозначают: верхнее — ES, нижнее — EI, валов — соответственно es и ei. При решении других задач, например, расчёта размерных цепей и др., предельные отклонения можно обозначать Es — верхнее отклонение, Ei — нижнее. Таким образом, для отверстия ES = Dmax – D; EI = Dmin – D; для вала es = = dmax – d; ei = dmin – d; для любого размера Es = Amax – A; Ei = Amin – A или Es = amax – a; Ei = amin – a.

Допуски размеров охватывающей и охватываемой поверхностей называют соответственно допуском отверстия (TА) и допуском вала (Ta).

Разнообразные виды соединений деталей, применяемые в технике, можно разделить на группы. По форме сопрягаемых поверхностей деталей различают:

а) гладкие цилиндрические и конические соединения, состоящие из охватывающей и охватываемой цилиндрических или конических поверхностей;

б) плоские соединения, состоящие из охватывающей и охватываемой поверхностей, образованных плоскостями (например, соединение поршневого кольца с поверхностями паза поршня, сое динение шпонки с поверхностями пазов вала и втулки, соедине ния типа «ласточкин хвост» и т. п.);

в) резьбовые и винтовые соединения (цилиндрические, конические), состоящие из охватывающей и охватываемой винтовых поверхностей с треугольным, трапециевидным или другим профилем;

г) зубчатые цилиндрические, конические, волновые, винтовые и гипоидные передачи, состоящие из периодически соприкасающихся зубьев колес, имеющих эвольвентный, циклоидальный или другой профиль; к этой же группе можно отнести червячные передачи, состоящие из периодически соприкасающихся зубьев червячного колеса и винтовых поверхностей червяка, имеющего эвольвентный, конволютный или другой профиль;

д) шлицевые соединения, состоящие из охватывающей и охватываемой поверхностей, имеющих продольные закономерно расположенные по окружности шлицы прямобочного, эвольвентного или треугольного профиля;

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

е) сферические соединения, состоящие из двух сферических поверхностей (шарнирные и керновые соединения, соединения шариков с дорожками качения в подшипниках и т. п.).

По степени свободы взаимного перемещения деталей различают:

а) неподвижные неразъемные соединения, в которых одна соединяемая деталь неподвижна относительно другой в течение всего времени работы механизма: соединения деталей сваркой, клепкой, клеем, соединения с гарантированным натягом (например, бронзового венца червячного колеса со стальной ступицей); первые три вида этих соединений разборке не подвергаются, а четвертый может разбираться лишь при крайней необходимости;

б) неподвижные разъемные соединения, отличающиеся от предыдущих тем, что в них возможно перемещение одной детали относительно другой при регулировке и разборке соединения при ремонте (например, крепежные резьбовые, шлицевые, шпоночные, клиновые и штифтовые соединения);

в) подвижные соединения, в которых одна соединяемая деталь во время работы механизма перемещается относительно другой в определенных направлениях.

В каждую из групп входит много разновидностей соединений, имеющих свои конструктивные особенности и свою область применения. В зависимости от эксплуатационных требований сборку соединений осуществляют с различными посадками.

Посадкой называется характер соединения деталей, определяемый величиной получающихся в нем зазоров или натягов. Посадка характеризует большую или меньшую свободу относительного перемещения или степень сопротивления взаимному смещению соединяемых деталей. Тип посадки определяется величиной и взаимным расположением полей допусков отверстия и вала. Номинальный размер отверстия и вала, составляющих соединение является общим и называется номинальным размером посадки.

Если размер отверстия больше размера вала, то их разность называется зазором (S), т.е. S = D – d 0; если размер вала до сборки больше размера отверстия, то их разность называется натягом (N), т.е. N = d – D > 0.

В расчетах натяг принимают как отрицательный зазор.

При расчёте посадок определяют предельные и средний зазоры или натяги. Наибольший (Smax), наименьший (Smin ) и средний зазор (Sm), соответственно равны: Smax = Dmax – dmin; Smin = D min – dmax; Sm = 0,5·(Smax + Smin).

Аналогично подсчитывают наибольший (Nmax) и наименьший натяги (Nmin) и средний натяг (Nm) Nmax = dmax – Dmin; Nmin = dmin – Dmax;

Nm = 0,5·(Nmax + Nmin).

Посадки разделяются на три группы: с зазором, с натягом и переходные посадки.

Посадка с зазором — посадка, при которой обеспечивается зазор в соединении (поле допуска отверстия расположено над полем допуска вала, рис. 7.2, а. К посадкам с зазором относятся также посадки, в которых нижняя граница поля допуска отверстия совпадает с верхней границей поля допуска вала, т. е. Smin= 0.

Посадка с натягом — посадка, при которой обеспечивается натяг в соединении (поле допуска отверстия расположено под полем допуска вала, рис. 7.2, в.

Переходная посадка — посадка, при которой возможно получение как зазора, так и натяга (поля допусков отверстия и вала перекрываются частично или полностью, рис. 7.2, б).

Допуск посадки — разность между наибольшим и наименьшим допускаемыми зазорами (допуск зазора TS в посадках с зазором) или наибольшим и наименьшим допускаемыми натягами (допуск натяга TN в посадках с натягом): TS = Smax – Smin; TN = Nmax – Nmin.

Рис. 7.2. Схемы полей допусков посадок: а — с зазором; б — переходные; в — с натягом

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

В переходных посадках допуск посадки равен сумме наибольшего зазора и наибольшего натяга, взятых по абсолютному значению TS(N) = = Smax + Nmax. Для всех типов посадок допуск посадки равен сумме допусков отверстия и вала, т. е. TS(N) = ТD + Td.

В переходных посадках при наибольшем предельном размере вала и наименьшем предельном размере отверстия получается наибольший натяг (Nmax), а при наибольшем предельном размере отверстия и наименьшем предельном размере вала — наибольший зазор (Smax). Минимальный зазор в переходной посадке равен нулю (Smin = 0). Средний зазор или натяг равен половине разности наибольшего зазора и наибольшего натяга Sm(Nm) = 0,5·(Smax – Nmax). Положительное значение соответствует зазору Sm, отрицательное — натягу Nm.

7.3. ЕДИНЫЕ ПРИНЦИПЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ

СИСТЕМ ДОПУСКОВ И ПОСАДОК

Системой допусков и посадок называют совокупность рядов допусков и посадок, закономерно построенных на основе опыта, теоретических и экспериментальных исследований и оформленных в виде стандартов.

Система предназначена для выбора минимально необходимых, но достаточных для практики вариантов допусков и посадок типовых соединений деталей машин, дает возможность стандартизовать режущие инструменты и калибры, облегчает конструирование, производство и достижение взаимозаменяемости изделий и их частей, а также обусловливает повышение их качества.

В настоящее время большинство стран мира применяет системы допусков и посадок ИСО. Системы ИСО созданы для унификации национальных систем допусков и посадок с целью облегчения международных технических связей в металлообрабатывающей промышленности.

Включение международных рекомендаций ИСО в национальные стандарты создает условия для обеспечения взаимозаменяемости однотипных деталей, составных частей и изделий, изготовленных в разных странах. Советский Союз вступил в ИСО в 1977 г., а затем перешёл на единую систему допусков и посадок (ЕСДП) и основные нормы взаимозаменяемости, которые базируются на стандартах и рекомендациях ИСО. Основные нормы взаимозаменяемости включают системы допусков и посадок на цилиндрические детали, конуса, шпонки, резьбы, зубчатые передачи и др.

Системы допусков и посадок ИСО и ЕСДП для типовых деталей машин основаны на единых принципах построения, включающих: систеГлава 7. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ му образования посадок и видов сопряжений; систему основных отклонений; уровни точности; единицу допуска; предпочтительные поля допусков и посадок; диапазоны и интервалы номинальных размеров;

нормальную температуру.

Система образования посадок и видов сопряжений предусматривает посадки в системе отверстия (СА) и в системе вала (СВ). Посадки в системе отверстия — это посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных валов с основным отверстием (рис. 7.3, а). Посадки в системе вала — это посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом (рис. 7.3, б).

Для всех посадок в системе отверстия нижнее отклонение отверстия EI = 0, т. е. нижняя граница поля допуска основного отверстия, всегда совпадает с нулевой линией. Для всех посадок в системе вала верхнее отклонение основного вала es = 0, т. е. верхняя граница поля допуска вала всегда совпадает с нулевой линией. Поле допуска основного отверстия откладывают вверх, поле допуска основного вала — вниз от нулевой линии, т. е. в материал детали.

Система основных отклонений представляет собой ряд основных отклонений валов в СА и отверстий в СВ, обозначаемых соответственно строчными и заглавными буквами латинского алфавита, например a, b, …, zb, zc; A, B, …, ZB, ZC. Значение основного отклонения определяется Рис. 7.3. Примеры расположения полей допусков для посадок:

а — в системе отверстия; б — в системе вала

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

соответствующей буквой и зависит от номинального размера. В системах допусков и посадок разных типов деталей установлено разное число основных отклонений, наибольшее их количество содержится в системе допусков и посадок гладких цилиндрических деталей.

Уровни точности могут называться по-разному: квалитеты точности — для гладких деталей, степени точности — для резьбовых деталей и зубчатых колёс или классы точности — для подшипников качения, но в любом случае они определяют требуемую ступень точности деталей для выполнения своих функций. Обозначаются уровни точности, как правило, арабскими цифрами, чем меньше цифра, тем выше уровень точности, т.е. точнее деталь.

Единица допуска — это зависимость допуска от номинального размера, которая является мерой точности, отражающей влияние технологических, конструктивных и метрологических факторов. Единицы допуска в системах допусков и посадок установлены на основании исследований точности механической обработки деталей. Значение допуска можно рассчитать по формуле T = a·i, где a — число единиц допуска, зависящее от уровня точности (квалитет или степень точности); i — единица допуска.

Предпочтительные поля допусков и посадок представляют собой совокупность отобранных из числа наиболее часто применяемых в производстве изделий полей допусков и составляемых из их числа посадок или видов сопряжений. Эти поля допусков и посадок составляют ряды предпочтительных и рекомендуемых и должны в первую очередь использоваться при проектировании изделий.

Диапазоны и интервалы номинальных размеров учитывают влияние масштабного фактора на значение единицы допуска. В пределах одного диапазона размеров зависимость единицы допуска от номинального размера — постоянна. Например, в системе допусков и посадок гладких деталей для диапазона размеров от 1 до 500 мм единица допуска равна i = 0,45 3 D +0,001D; для диапазона размеров свыше 500 до 3150 мм единица допуска равна i = 0,004D + 2,1. Для построения рядов допусков каждый из диапазонов размеров, в свою очередь, разделен на несколько интервалов. Поскольку назначать допуск для каждого номинального размера экономически нецелесообразно для всех размеров, объединенных в один интервал, значения допусков приняты одинаковыми. В формулах единиц допусков в системе ИСО и ЕСДП в качестве размеров подставляют среднее геометрическое крайних размеров каждого интервала:

D = Dmin Dmax. Размеры по интервалам распределены так, чтобы допуски, подсчитанные по крайним значениям в каждом интервале, отличались от допусков, подсчитанных по среднему значению диаметра в том же интервале, не более чем на 5—8%.

Нормальная температура, при которой определены допуски и отклонения, устанавливаемые стандартами, принята равной + 20 °С (ГОСТ 9249—59). Такая температура близка к температуре рабочих помещений производственных помещений. Градуировку и аттестацию всех линейных и угловых мер и измерительных приборов, а также точные измерения следует выполнять при нормальной температуре, отступления от нее не должны превышать допускаемых значений, содержащихся в ГОСТ 8.050—73 (Государственная система измерений). Температура детали и измерительного средства в момент контроля должна быть одинаковой, что может быть достигнуто совместной выдержкой детали и измерительного средства в одинаковых условиях (например, на чугунной плите).

В отдельных случаях погрешность измерения, вызванную отклонением от нормальной температуры и разностью температурных коэффициентов линейного расширения материалов детали и измерительного средства, можно компенсировать введением поправки, равной погрешности, взятой с обратным знаком. Температурную погрешность l приближенно определяют по формуле где l — измеряемый размер, мм; 1 и 2 — температурные коэффициенты линейного расширения материалов детали и измерительного средства;

t1 = t1 – 20 °С — разность между температурой детали и нормальной температурой; t2 = t2 – 20 °С — разность между температурой измерительного средства t2 и нормальной температурой. Если температура детали и средства измерения одинакова, но не равна 20 °С, также неизбежны ошибки вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения детали и измерительного средства. В этом случае (т. е. при t1 = t2 = t) погрешность Если температура воздуха в производственном помещении, контролируемой детали и измерительного средства стабилизированы и равны 20 °С, температурная погрешность измерения отсутствует при любой разности температурных коэффициентов линейного расширения, так как при t1 = t2 = 0· l = 0.

Формулы являются приближенными, так как из-за сложности конфигурации деталей их деформация при изменении температуры не подчиняется линейному закону. Таким образом, для устранения температурных погрешностей необходимо соблюдать нормальный температурный режим в помещениях измерительных лабораторий, инструментальных, механических и сборочных цехов.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

7.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ ИЗДЕЛИЙ

Основные стадии обеспечения функциональной взаимозаменяемости Обеспечение функциональной взаимозаменяемости изделий предусматривает расчёты и оптимизацию параметров точности: допусков и предельных отклонений размеров, допусков формы и расположения поверхностей, а также параметров шероховатости поверхностей. Эти расчёты основаны на установлении взаимосвязей показателей качества изделия с функциональными параметрами его деталей и сборочных единиц. Назначение оптимальных точностных требований к функциональным параметрам позволяет создать гарантированный запас работоспособности изделий при обеспечении их эксплуатационных показателей, определяющих качество функционирования (производительности, точности и др.) в заданных пределах.

Изготовление деталей и сборочных единиц изделия с установленной точностью по геометрическим, механическим, электрическим и другим функциональным параметрам обеспечивает функциональную взаимозаменяемость всех однотипных изделий, выпускаемых предприятием.

На стадии конструирования изделий используют следующие исходные положения.

• Эксплуатационные показатели машин определяются: уровнем и стабильностью характеристик рабочего процесса; размерами, формой и другими геометрическими параметрами деталей и сборочных единиц (узлов) изделий; уровнем механических, физических и химических свойств материалов, из которых изготовлены детали, и другими факторами. Неизбежные погрешности и колебания свойств материалов вызывают изменение значений параметров рабочего процесса и эксплуатационных показателей машин. Поэтому для ответственных деталей и сборочных единиц (узлов) взаимозаменяемость необходимо соблюдать не только по размерам, форме и другим геометрическим параметрам, показателям механических свойств материала (особенно поверхностного слоя деталей), но и (в зависимости от принципа действия узла или машины) по электрическим, гидравлическим, оптическим, химическим и другим функциональным параметрам.

• Необходимо обеспечивать однородность исходного сырья, материалов, заготовок и полуфабрикатов по химическому составу, равный уровень и стабильность механических, физических и химических свойств, а также точность и стабильность размеров и форм. Для заготовок, кроме того, необходимо выдерживать равенство размеров межоперационных посадочных поверхностей, предназначенных для фиксации положения заготовок в приспособлениях в процессе обработки.

• Необходимо уточнить номинальные значения эксплуатационных показателей изделий, определить исходя из назначения, требований к надежности, долговечности и безопасности допустимые отклонения эксплуатационных показателей изделий, которые они будут иметь в конце установленного срока работы (разность между этими показателями у новых изделий и в конце срока эксплуатации составляет их допуск). Эти значения находят в результате прочностного, теплового, газодинамического или гидродинамического, акустического и других расчетов, учитывающих износ и изменение функциональных параметров в процессе длительной работы изделий.

• Необходимо установить основные составные конструктивные элементы изделия, от которых в первую очередь зависят его эксплуатационные показатели; составить перечень деталей и узлов, определяющих надежность и долговечность изделия в целом. Затем для данной категории деталей и узлов изделия выбирают такие конструктивные формы, материалы, технологию изготовления и качество поверхности, которые обеспечат максимальный срок их службы, точность и другие характеристики. Выявляют функциональные параметры, от которых главным образом зависят значения и допустимый диапазон отклонений эксплуатационных показателей машины. Перечень этих параметров определяется принципом действия, назначением и конструктивными особенностями изделий.

• Необходимо обобщение опыта эксплуатации, быстрое прототипирование и создание моделей, проведение экспериментальных испытаний моделей, макетов или образцов. На этой основе проводится установление взаимосвязей точности функциональных параметров с показателями качества изделия. Теоретически или экспериментально на макетах, моделях или опытных образцах следует установить возможные изменения функциональных параметров во времени (в результате износа, пластической деформации, термоциклических воздействий, изменения структуры и старения материала, коррозии, старения электронных ламп и т.д.). Найти связь и степень влияния этих параметров и их отклонений на эксплуатационные показатели нового изделия и в процессе его длительной эксплуатации.

• Зная эти связи и допуски на эксплуатационные показатели изделий, можно определить допускаемые отклонения функциональных параметров и рассчитать посадки для ответственных соединений. Используя установленные связи, можно установить значения отклонений эксплуатационных показателей при выбранных допусках функциональных параметров.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

• Обеспечивая взаимозаменяемость ответственных деталей по шероховатости, форме и расположению их поверхностей, следует выбирать эти параметры такими, при которых их эксплуатационные качества будут оптимальными.

• При конструировании необходимо учитывать требования технологичности и предусматривать возможность выбора для проверки точностных параметров изделия такой схемы измерения, которая не вносила бы дополнительных погрешностей и позволяла применять простые и надежные универсальные или существующие специальные измерительные средства.

Таким образом, разработка чертежей и технических условий с указанием требуемой точности размеров и других параметров детали и составных частей (узлов) изделий, обеспечивающей их высокое качество, является первой составной частью принципа взаимозаменяемости, выполняемой в процессе конструирования изделий. Рабочий чертеж, в котором указаны точностные требования, является основным исходным документом, по которому проектируют технологические процессы и контролируют точность готовой продукции.

На стадии изготовления изделий используют следующие исходные положения.

• Точность изготовления, т.е. приближение действительных значений геометрических и других параметров деталей и сборочных единиц к их заданным значениям, указанным в чертежах или технических условиях является главным условием обеспечения взаимозаменяемости.

• Степень соответствия нормированной точности деталей, узлов изделий (совокупность допускаемых отклонений параметров от расчетных значений) и действительной точности (совокупность действительных отклонений, определенных в результате измерения с допустимой погрешностью) зависит от качества материала и заготовок, технологичности конструкции изделий, точности их изготовления и сборки и других факторов. Достичь заданной точности — значит изготовить детали и сборочные единицы так, чтобы погрешности геометрических, электрических и других параметров находились в установленных пределах. Стабильность показателей качества однотипных изделий при их серийном производстве в этом случае может быть с определённой вероятностью гарантировано.

• Достижение высокого качества изделий зависит от точности технологического оборудования, инструмента и технологической оснастки, а также методов и средств контроля. Точность оборудования и оснастки должна быть выше требуемой точности изготовляемых деталей и узлов, т. е. иметь запас точности.

• Точность средств измерения и контроля должна соответствовать принципам и рекомендация, изложенным в разделе 5.2. Технические измерения должны обеспечивать связь с технологическим процессом и, направлены главным образом на профилактику брака, что достигается путем управления точностью процессов изготовления.

На стадии эксплуатации используют следующие исходные положения.

• Важной составной частью осуществления принципа взаимозаменяемости, обеспечивающего долговечную и экономичную работу изделий, является определение необходимого комплекта запасных частей. Они обеспечивают быструю замену в процессе эксплуатации износившихся или вышедших из строя деталей или узлов, сохраняя требуемую работоспособность машины в течение установленного времени.

• В процессе эксплуатации необходимо проводить техническую диагностику изделия с целью своевременной замены и ремонта деталей, узлов и агрегатов.

Методы расчёта и выбора допусков и посадок Основными методами расчёта и выбора допусков являются: метод прецедентов, метод подобия и расчетный метод.

Метод прецедентов (метод аналогов) заключается в том, конструктор отыскивает в однотипных или аналогичных изделиях, ранее изготовленных и находящихся в эксплуатации, случаи применения деталей и сборочных единиц, подобных проектируемым. В этом случае допуски и посадки назначаются такие же или аналогичные. Применение этого метода может привести к принятию неправильных решений из-за предшествующих ошибок, а также переносу устаревших требований на вновь создаваемые изделия.

Метод подобия по существу является развитием метода прецедентов.

Он основан на классификации деталей машин по конструктивным и эксплуатационным признакам и закреплён типовыми решениями, содержащимися в справочной литературе. Для выбора допусков и посадок этим методом устанавливают аналогию конструктивных признаков и условий эксплуатации проектируемой сборочной единицы с признаками, указанными в справочниках. Общим недостатком методов прецедентов и подобия является субъективность оценки признаков однотипности и подобия и как следствие возможность принятия ошибочных решений.

Расчетный метод является наиболее обоснованным методом выбора допусков и посадок. Наибольший эффект может быть получен применением метода расчёта, предложенного профессором А.И. Якушевым. ВыМЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ бирая этим методом квалитеты (степени точности), допуски и посадки при проектировании машин и других изделий, стремятся удовлетворить эксплуатационно-конструктивные требования, предъявляемые к деталям, сборочной единицам и изделиям в целом.

Изготовление деталей с малыми допусками связано с повышением себестоимости. Но при этом обеспечиваются высокая точность сопряжений, постоянство характера сопряжений в большой партии и более высокие эксплуатационные показатели изделия в целом. Изготовление деталей по расширенным допускам проще, не требует точного оборудования и отделочных технологических процессов, но снижает точность и, следовательно, эксплуатационные показатели машин. Таким образом, перед конструкторами, технологами и метрологами стоит задача оптимизации с целью разрешения противоречий между эксплуатационными требованиями и технологическими возможностями. В этой задаче целевой функцией является необходимость выполнения эксплуатационных требований, в условиях ограничений по стоимости производства. Необходимо учитывать также технические ограничения, например, связанные с обеспечением достаточно точными и надежными контрольно-измерительными средствами. Задача оптимизации точности должна решаться на основе технико-экономических расчетов с использованием современных информационных технологий.

Поскольку наличие риска присутствует при решении любых технических вопросов, необходим некоторый гарантированный запас точности, который должен создать гарантированный запас работоспособности изделий. В результате эксплуатации потеря работоспособности может быть вызвана снижением точности рабочих органов, связанной, например, с износом деталей, изменением свойств материалов и другими причинами. Динамическая точность характеризуется функциональным допуском, состоящим из допуска на изготовление детали и эксплуатационного допуска, равного предельному отклонению функционального параметра допустимого в конце срока эксплуатации.

На функциональные размеры несопрягаемых поверхностей, например: диаметры сопел пневмо- и гидросистем, жиклеров карбюраторов, кондукторных втулок и т. п., так же как и посадки ответственных соединений, методика расчета запаса точности идентична. Допуски и основные отклонения назначают исходя из допускаемых отклонений эксплуатационных показателей изделия и называют соответственно функциональным допуском размера ТF и функциональным допуском посадки TFS(N). Рассмотрим функциональные допуски несопрягаемых поверхностей и посадок с зазором (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема расположения полей функциональных допусков:

а — размеров несопрягаемых поверхностей; б — посадок с зазором Функциональный допуск TF размера несопрягаемых поверхностей (рис. 7.4, а) равен разности между наибольшим и наименьшим допускаемыми значениями этого размера, определенными исходя из допускаемого изменения эксплуатационных показателей изделия:

TF = Dmax F – Dmin F.

Функциональный допуск TFS посадки с зазором равен разности между наибольшими и наименьшими допускаемыми зазорами, определенными исходя из допускаемого изменения эксплуатационных показателей машины или ее части: TF = Smax F – Smin F. Функциональные допуски TF и TFS должны быть наибольшими, но такими, при которых изделие ещё будет работать с допускаемыми эксплуатационными показателями.

Допуски TF и TFS необходимо делить на две части. Первая часть допусков предназначена для создания запаса точности (например, запаса на износ), необходимого для сохранения требуемого уровня эксплуатационных показателей изделия в процессе его длительной эксплуатации. Эту часть называют эксплуатационным допуском и обозначают ТЕ и TES.

Эксплуатационный допуск зазора TES, в свою очередь, делят на эксплуатационный допуск отверстия TED и эксплуатационный допуск вала TEd.

Вторая часть функционального допуска посадки с зазором (рис. 7.4, б) в общем случае идет на компенсацию погрешностей изготовления деталей изг ( изг TD + Td), погрешностей сборки сб и регулирования, а также на компенсацию прочих погрешностей пр. Эту часть называют конструктивным допуском и обозначают ТK и TKS. Таким образом, для функциоМЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ нальных размеров несопрягаемых поверхностей TF = TЕ + TК; TК = изг.доп + TD (Td) + пр.доп; для посадок с зазором TFS = TЕS + TКS; TЕS = TЕD+ пр.доп +TЕd; TКS = изг.доп + сб.доп + пр.доп TD + Td + сб.доп + пр.доп, где изг.доп, сб.доп, пр.доп — допускаемые погрешности изготовления, сборки и прочие. К прочим погрешностям относят изменения размеров под влиянием силовых и температурных деформаций, износа других факторов, возникающих при эксплуатации машины.

При расчете посадок учитывают суммарное влияние погрешностей сборки сб и прочих погрешностей пр вала и отверстия на величину зазора, без учёта знака погрешностей. Допуск на изготовление Т (TD и Td) кроме погрешностей изготовления изг. должен учитывать погрешности измерения изм. После определения допускаемых значений составляющих погрешностей, для компенсации которых предназначен допуск TKS, устанавливают посадку и допуски на изготовление каждой из соединяемых деталей (т. е. TD и Td). После изготовления деталей и сборки соединений должен быть обеспечен запас точности соединений, определяемый допуском TES. При расчёте посадок с натягом необходимо создавать эффективные запасы прочности при сборке и эксплуатации.

Сумма эксплуатационных допусков TED + TEd в подвижных соединениях определяет эксплуатационный допуск зазора, который следует рассчитывать исходя из заданной долговечности и допускаемого изменения других эксплуатационных показателей изделия.

Запас точности определяет работоспособность изделия. Запас точности можно выразить коэффициентом запаса точности КТ равным отношению допускаемого отклонения параметра в конце срока их эксплуатации к погрешности изготовления изделия (детали, узла, механизма). Так, если радиальное биение шпинделя нового шлифовального станка равно 0,005 мм, а допускаемое биение в конце срока эксплуатации (до ремонта) станка данного класса точности составляет 0,01 мм, то КТ = 0,01/0,005 = 2. Для деталей, имеющих функциональные несопрягаемые поверхности, КТ = TF/TK. Так, например, если для обеспечения экономичной работы двигателя внутреннего сгорания, допуск диаметра жиклера карбюратора не должен превышать 10 мкм (ТF = 10 мкм), а 5 мкм идет на компенсацию погрешностей, в том числе и погрешностей изготовления (ТК = 5 мкм), то КТ = TF/TK = 10/5 = 2.

Для подвижных соединений коэффициент КT равен отношению максимального допуска посадки TFS к конструктивному допуску посадки TKS, который назначают для компенсации всех погрешностей, в том числе погрешностей изготовления, сборки и измерения. Для частного случая, когда сб = пр = 0, КТ =(Smax F – Smin F)/(TD + Td). Если наименьший табличный зазор Smin T >Smin F, то при вычислении коэффициента КT необходимо брать значение Smin T. Коэффициент запаса точности КТ зависит от эксплуатационного назначения изделия и допускаемого изменения исходной точности, от срока службы, характера изменения функциональных параметров и эксплуатационных показателей в процессе работы изделий и других факторов. Запас точности устанавливают по каждому функциональному параметру, влияющему на эксплуатационные показатели изделия, для всех изделий длительного пользования.

Например, для поршневых компрессоров необходим запас точности зазора в сопряжении поршень—цилиндр, так как этот зазор влияет на коэффициент подачи компрессора. Если функциональный размер является одновременно замыкающим (или исходным) размером размерной цепи, его точность определяется точностью составляющих размеров, входящих в соответствующую размерную цепь. Запас точности необходимо создавать и для составляющих размеров, которые изменяются в процессе эксплуатации. Запас точности устанавливают также для каждого эксплуатационного показателя, характеризующего качество машины или другого изделия. Это особенно важно для металлорежущих станков и измерительных приборов. Если допускаемая погрешность измерения оптиметра при определенных условиях измерения равна 0,6 мкм, действительная погрешность измерения должна быть меньше допускаемой. Например, при действительной погрешности нового оптиметра 0,4 мкм создается запас точности, определяемый коэффициентом КТ = 1,5.

При разработке норм точности, по которым выполняют окончательную приемку изделий, целесообразно устанавливать допускаемую погрешность нормируемого параметра для нового изделия и для изделия в конце срока его эксплуатации (до ремонта машины или новой юстировки прибора). Запас точности следует создавать не только по геометрическим параметрам, но и по электрическим, упругим и другим функциональным параметрам, изменяющимся в процессе работы изделия.

Из сказанного следует сделать вывод, что установление точностных характеристик имеет не меньшее значение, чем определение самих размеров деталей путем расчета на прочность, жесткость и т. п.

Информационные технологии обеспечения функциональной взаимозаменяемости Для практического осуществления принципа функциональной взаимозаменяемости изделий необходима четкая система конструкторской, технологической, метрологической и эксплуатационной документации.

На современном этапе развития производства продукции наибольшая эффективность функциональной взаимозаменяемости может быть

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

достигнута при реализации концепции CALS, стратегия которой предполагает создание единого информационного пространства (ЕИП) на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) производства изделия. ЕИП охватывает полную информацию об изделии, при этом вся информация должна быть представлена в электронном виде. Использование CALSтехнологий позволяет предприятию-производителю наукоемкой продукции усовершенствовать процессы в ходе жизненного цикла, снизить сроки выпуска продукции на рынок; заказчику — сократить стоимость заказа и дальнейшей его эксплуатации, учитывая, что стоимость поддержки наукоемкого изделия в работоспособном состоянии равна или превышает стоимость его приобретения.

В настоящее время поставка готового изделия с большим объемом традиционной бумажной документации существенно снижает его конкурентоспособность, поскольку делает невозможным взаимодействие с автоматизированными системами материально-технического снабжения для проведения профилактических и ремонтных работ.

Техническая документация на изделие, в том числе требования к точности, должны быть представлены в форме интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР). ИЭТР — это электронный документ, формируемый в значительной степени автоматически на основе конструкторского описания, представляющий собой базу данных и средств визуализации, использующих возможности мультимедиа (текст, графика, видео, аудио). Кроме того, необходимо собрать всю информацию об изделии в интегрированной базе данных и обеспечить совместное использование этой информации в процессах проектирования, производства и эксплуатации. Для этой цели применяют систему управления инженерными данными, основанную на стандартизованной модели данных и интерфейсе доступа и работы с этими данными.

В системе CALS ключевой является технология управления данными об изделии — PDM (Product Data Management). PDM-технология позволяет управлять всеми данными об изделии и информационными процессами ЖЦ изделия. При этом создаются, анализируются и используются взаимосвязи между функциональными параметрами и показателями качества. Данные об изделии состоят из идентификационных данных (например, данных о составе или конфигурации изделия, о точности обработки и др.) и данных или документов, которые используются для описания изделия или процессов его проектирования, изготовления и эксплуатации (при этом все данные обязательно представлены в электронном виде). Управление информационными процессами ЖЦ представляет собой поддержку различных процессов, создающих и испольГлава 7. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ зующих данные об изделии (например, процессов изменения точности геометрических параметров изделия). Осуществляется поддержка электронного документооборота, например, конструкторского документооборота.

Основная задача PDM-технологии — повышение эффективности управления информацией за счет повышения доступности данных об изделии, требующихся для информационных процессов ЖЦ. Повышение доступности данных об изделии достигается за счет интеграции всех данных об изделии в логически единую модель. Единая модель должна включать модель функционирования изделия, предусматривающая оптимизацию точностных требований.

PDM-система должна контролировать все связанные с изделием информационные процессы (в первую очередь, проектирование изделия, куда входят расчёты по обеспечению функциональной взаимозаменяемости) и всю информацию об изделии, включая: состав и структуру изделия, геометрические данные, точность, чертежи, планы проектирования и производства, нормативные документы, программы для станков с ЧПУ, результаты анализа, данные о надёжности партии изделия и отдельных экземпляров изделия и другие данные.

PDM-система является необходимой составляющей для создания ЕИП для всех участников ЖЦ изделия и выступает как средство интеграции всего множества используемых прикладных компьютерных систем (САПР, АСУП и т.п.). Это происходит путем накопления поступающих данных и создания логически единой модели на основе стандартных интерфейсов взаимодействия.

Использование на предприятии PDM-системы позволяет сократить время разработки изделия, ускорить время выхода изделия на рынок, а также повысить качество изделия. Сокращение времени выхода на рынок достигается в первую очередь за счет повышения эффективности процесса проектирования изделия. Конструктор освобождается от непроизводительных затрат своего времени, связанных с поиском, копированием и архивированием данных, нахождением прецедентов при расчёте точности, что, при работе с бумажными данными, составляет 25–30% его времени. Происходит улучшение взаимодействия между конструкторами, технологами и другими участниками ЖЦ изделия. Это происходит с использованием CAD/CAM/ CAE-систем.

CAD-системы (computer-aided design — компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации их называют также системами автоматизированного проектирования — САПР. Как правило, в совреМЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ менные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Трехмерные CAD-системы позволяют реализовать решение задачи сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

В свою очередь, САМ-системы (computer-aided manufacturing — компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). САМ-системы называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей (например, лопаток турбин, роторов винтовых компрессоров, кузовов автомобилей и т.п.) и сокращения цикла их производства. В САМ-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы (computer-aided engineering — поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач). В числе этих задач: расчеты на прочность, анализ и моделирование тепловых процессов, расчеты гидравлических систем и машин, расчеты технологических процессов получения заготовок и обработки деталей, расчёты и оптимизация точности с целью обеспечения функциональной взаимозаменяемости и др. В САЕ-системах также целесообразно использование трехмерной модели изделия, созданной в CAD-системе. САЕ-системы являются системами инженерного анализа.

CAD/CAM/CAE-системы представляют собой индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства. В настоящее время становится невозможным изготовление сложной наукоемкой продукции (судов, самолетов, станков, информационно-измерительных приборов и др.) Без применения CAD/CAM/CAE-систем. В настоящее время CAD/CAM/CAE-системы представляют собой интегрированные программные комплексы, обеспечивающие единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением при эксплуатации. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество, надежность и конкурентоспособность выпускаемой продукции. Компьютерное моделиГлава 7. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ рование сложных изделий позволяет конструктору оптимизировать необходимые параметры, при этом значительная экономия достигается за счёт отказа от изготовления физического прототипа и доводки изделия на испытательных стендах. Существуют многочисленные примеры, когда даже для относительно несложных изделий, стоимость прототипа составляет десятки и сотни тысяч. Создание модели двигателя обойдётся в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить десятки миллионов долларов.

В условиях быстрой сменяемости объектов производства и острой конкурентной борьбы за рынок сбыта задача изготовления прототипа в сжатые сроки становится все более актуальной. Современные технологические средства позволяют эффективно решить эту задачу, не прибегая к традиционным методам, связанным с механической обработкой материалов. Изготовление натурных моделей проводится из технологичных, легко деформируемых материалов. Изготовление таких прототипов осуществляется по CAD-данным с использованием трехмерных математических моделей.

Методы быстрого создания прототипов с использованием быстрого прототипирования (Rapid Prototyping — RP) позволяют решать проблемы, связанные с традиционными методами макетирования. Преимущество современных технологий быстрого прототипирования — сокращение сроков создания детали заданной точности. Детали, на создание которых раньше уходили недели и месяцы, сегодня могут быть созданы как физические объекты в течение нескольких дней или, в некоторых случаях, нескольких часов. Недостаток этих технологий — разные свойства материала прототипа и реальной детали.

Он не является материалом серийной детали или, как минимум, имеет отличия по механическим и химическим свойствам. Это ограничивает возможность использования прототипов, полученных с использованием технологий быстрого прототипирования, в функциональном тестировании. Например, в некоторых случаях прототип не может быть использован в горячей среде, так как имеет низкую температурную устойчивость. Несмотря на эти недостатки, использование новых материалов расширяет возможности быстрого прототипирования.

Модели, выполненные по технологиям RP, могут изготавливаться из различных материалов: пластиков, жидких смол, специальных порошков, различных листовых материалов (бумаги, алюминия и др.).

Процессы создания модели в значительной степени автоматизированы и позволяют получать качественные и сравнительно недорогие модели, затрачивая на их изготовление часы, а не дни и недели, как это было

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

при использовании традиционных методов. Технологии, предоставляющие такие уникальные возможности, были сразу востребованы и взяты на вооружение многими промышленными предприятиями. Технологии RP обеспечили этим предприятиям значительную экономию времени и денежных средств, затрачиваемых на подготовку изделия к производству, доводку показателей качества и обеспечение их стабильности за счёт оптимизации требований к точности параметров деталей. Они позволили существенно сократить сроки и стоимость дизайнерских и конструкторских работ уменьшить затраты на изготовление технологической оснастки, а также повысить качество выпускаемой продукции.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ,

ВОЛНИСТОСТИ, НОРМ ТОЧНОСТИ ФОРМЫ

И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

8.1. ОТКЛОНЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

В результате обработки деталей и сборки изделий форма поверхностей деталей и их взаимное расположение отличаются от номинального, т.е. заданного чертежом. Таким образом, следует различать номинальный и реальный профиль поверхности, номинальное и реальное расположение поверхности. Номинальное расположение поверхности определяется Рис. 8.1. Отклонения геометрической поверхности цилиндрической детали

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

номинальными линейными и угловыми размерами между ними. Реальное расположение поверхности определяется действительными линейными и угловыми размерами. Профиль поверхности — линия пересечения (или контур) поверхности с плоскостью или заданной поверхностью. Вследствие отклонений действительной формы от номинальной один размер в различных сечениях детали может быть различным (рис. 8.1).

Размеры в поперечном сечении можно определить переменным радиусом R, отсчитываемым от геометрического центра О номинального сечения. Этот радиус называют текущим размером, т. е. размером, зависящим от положения осевой координаты х (сечения Б-Б) и угловой координаты точки, лежащей на измеряемой поверхности ( 1 — угловая координата радиуса R1). Отклонение R текущего размера R (при выбранном значении х) от номинального (постоянного) размера R0, можно выразить зависимостью R = R – R0 = f ( ), где f ( ) — функция, характеризующая погрешность профиля ( — полярный угол). Контур поперечного сечения удовлетворяет условию замкнутости, следовательно, f ( + 2 ) = f( ), т. е. функция имеет период 2.

Контур сечения действительной поверхности можно характеризовать совокупностью гармонических составляющих отклонений профиля, определяемых спектрами фазовых углов и амплитуд, т. е. совокупностью отклонений с различными частотами. Для аналитического изображения действительного профиля (контура сечения) поверхности используют разложение функции погрешностей f ( ) в ряд Фурье.

Рассматривая отклонения R радиуса-вектора в полярной системе координат как функцию полярного угла, представляем отклонения контура поперечного сечения детали в виде ряда Фурье где a0/2 — нулевой член разложения; ak, bk — коэффициенты ряда Фурье k-й гармоники; k — порядковый номер составляющей гармоники.

Ряд Фурье можно представить также в виде где ck — амплитуда k-й гармоники; k — начальная фаза. Функция f( ) определяется совокупностью величин сk — спектр амплитуд и k — спектр фаз. Число членов ряда ограничиваем n, обычно не более 5, так как амплитуда становится малой.

Нулевой член разложения в общем случае является средним значением функции f( ) за период Т = 2, определяемым расстоянием от базового Глава 8. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ, ВОЛНИСТОСТИ....

уровня отсчета текущего размера до средней линии геометрических отклонений профиля. Таким образом, со/2 есть постоянная составляющая отклонения текущего размера. Первый член разложения c1 = cos ( + 1 ) выражает несовпадение центра вращения О с геометрическим центром сечения О (эксцентриситет е), т. е. отклонение расположения поверхности, где c1 и 1 амплитуда и фаза эксцентриситета соответственно. Члены ряда, начиная со второго образуют спектр отклонений формы детали в поперечном сечении. При этом второй член ряда Фурье с2 cos (2 + 2) выражает овальность, третий член с3 cos (3 + 3) — трехвершинную огранку и т. д.

Члены ряда высокой частоты выражают волнистость и шероховатость поверхности.

В случае пространственного представления отклонения контура цилиндрической поверхности в продольном сечении можно описать аналогичным образом. При этом вводим цилиндрическую систему координат R,, z, а за период принимаем Т = 2l, где z — переменная, отсчитываемая вдоль оси цилиндра, причем 0 z l; l — длина детали. Представим отклонения контура реальной цилиндрической детали в продольном сечении f (z) в виде тригонометрического полинома где k — порядковый номер члена разложения.

Первый член (k = 1) разложения характеризует наклон образующей цилиндра (конусообразность). Второй член разложения характеризует выпуклость контура в продольном сечении (бочкообразность). Этот же член разложения при наличии сдвига фазы выражает седлообразность и т. д.

Качество изделий в общем случае зависит от точности линейных и угловых размеров, формы и расположения поверхностей деталей и составных частей, а также волнистости и шероховатости поверхностей деталей.

8.2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ

ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

Шероховатостью поверхности согласно ГОСТ 25142—82 называют совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины. Базовая длина l — длина базоМЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ вой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Базовая линия (поверхность) — линия (поверхность) заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки геометрических параметров поверхности. Шероховатость возникает из-за множества причин, связанных с условиями формообразования:

пластической деформации поверхностного слоя детали, копирования неровностей режущих кромок инструмента, вибраций станка и других причин. Числовые значения шероховатости поверхности определяют от единой базы, за которую принята средняя линия профиля m-m. Средняя линия проводится по правилу наименьших квадратов, т.е. так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально. Средняя линия делит площадь по выступам и впадинам пополам, форма её соответствует форме номинального профиля. Систему отсчета шероховатости от средней линии профиля называют системой средней линии.

Если для определения шероховатости выбран участок поверхности длиной l, другие неровности (например, волнистость), имеющие шаг больше l, не учитывают. Повышение точности оценки шероховатости измерения повторяют несколько раз в разных местах поверхности и за результат изменения принимать среднее арифметическое результатов измерения на нескольких длинах оценки. Длина оценки L — длина, на которой оценивают шероховатость. Она может содержать одну или несколько базовых длин l. Числовые значения базовой длины выбирают из ряда: 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25 мм.

Согласно ГОСТ 2789—73, шероховатость поверхности изделий независимо от материала и способа обработки поверхности оценивают высотными, шаговыми и параметрами, связанными с формой неровностей.

Параметрами шероховатости, связанными с высотными свойствами неровностей, являются: среднее арифметическое отклонение профиля Rа, высота неровностей профиля Rz, наибольшая высота неровностей профиля Rmax. Параметр Rа является предпочтительным. Параметр Ra характеризует среднюю высоту всех неровностей профиля, Rz — среднюю высоту наибольших неровностей, Rmаx — наибольшую высоту профиля.

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra — среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базоn вой длины: Ra = n — число выбранных точек профиля на базовой длине, у — отклонеГлава 8. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ, ВОЛНИСТОСТИ....

ние профиля, т.е. расстояние между любой точкой профиля и средней линией.

Высота неровностей профиля Rz — сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профили в пределах базовой длины:

где Hi max и hi max — высоты i-тых наибольших выступов профиля; Hi min и hi min — глубины i-тых наибольших впадин профиля, отсчитанные от средней линии и от произвольного уровня А–В соответственно.

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax — расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины l (рис. 8.2).

К параметрам шероховатости, связанным со свойствами неровностей в направлении длины профиля, относятся: средний шаг неровностей профиля и средний шаг местных выступов профиля. Средний шаг неровностей профиля Sm — среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины: Sm = Smi, где n — число шагов в предеn i = лах базовой длины l; Smi — шаг неровностей профиля, равный длине отрезка средней линии, пересекающей профиль в трёх соседних точках и ограниченной двумя крайними точками.

Средний шаг местных выступов профиля S — среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины: S = Выступы Впадины Рис. 8.2. Профилограмма поверхности

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

где n — число шагов неровностей по вершинам в пределах базовой длины l; Si — шаг неровностей профиля по вершинам, равный длине отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних выступов профиля.

Числовые значения параметров шероховатости Ra, Rz, Rmax, Sm и S приведены в ГОСТ 2789—73. Рекомендуется использовать предпочтительные значения параметров Ra, так как образцы сравнения шероховатости поверхности по ГОСТ 9378—93 изготовляют именно с этими значениями Ra.

Параметрами шероховатости, связанными с формой неровностей профиля, являются опорная длина профиля и относительная опорная длина профиля. Опорная длина профиля p — сумма длин отрезков bi, отсекаемых на заданном уровне р в материале профиля линией, эквидистантной средней линии m-m в пределах базовой длины (рис. 8.2):

Относительная опорная длина профиля tp — отношение опорной длины профиля к базовой длине: tp = p/l. Опорную длину профиля p определяют на уровне сечения профиля р, т. е. на заданном расстоянии между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля. Линия выступов профиля — линия, эквидистантная средней линии, проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины. Значения уровня сечения профиля р отсчитывают по линии выступов и выбирают из ряда: 5; 10; 15; 20; 25;

30; 40; 50; 60; 70; 80; 90% от Rmax. Относительная опорная длина профиля tp может быть равна: 10; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90%.

В обоснованных случаях устанавливают требования к направлению неровностей и виду обработки, если он единственный для обеспечения качества поверхности.

Требования к шероховатости поверхности деталей следует устанавливать, исходя из функционального назначения поверхности в целях обеспечения заданного качества изделий. Комплекс параметров шероховатости позволяет подходить обоснованно к их назначению с учётом различного эксплуатационного назначения поверхностей. Например, для трущихся поверхностей ответственных деталей устанавливают допускаемые значения Ra (или Rz), Rmax и tp, а также направление неровностей.

Циклически нагруженные поверхности ответственных деталей должны Глава 8. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ, ВОЛНИСТОСТИ....

быть регламентированы по высотным и шаговым критериям Rmax, Sm и S. Функциональный подход необходимо применять и в других случаях.

При выборе параметров Ra или Rz следует иметь в виду, что параметр Ra дает более полную оценку шероховатости, так как для его определения измеряют и суммируют расстояния большого числа точек действительного профиля до его средней линии. При определении параметра Rz измеряют только расстояния между пятью вершинами и пятью впадинами неровностей. Влияние формы неровностей на эксплуатационные показатели качества детали параметром Ra оценить нельзя, так как при различных формах неровностей значения Ra могут быть одинаковыми. Например, профили неровностей, изображенные на рис. 8.3, имеют разную форму, но одинаковые значения параметра Ra. Для лучшей оценки свойств шероховатости необходимо знать ее высотные, шаговые параметры и параметр формы tp.

Износостойкость, контактная жесткость, прочность прессовых посадок и другие эксплуатационные свойства сопрягаемых поверхностей деталей связаны с фактической площадью их контакта. Для определения опорной площади, которая образуется под воздействием рабочей нагрузки, строят кривые относительной опорной длины профиля tp. Расстояние между линиями выступов и впадин делят на уровни сечений профиля с соответствующими значениями р и для каждого сечения определяют значение tp. Кривая изменения опорной длины профиля представлена на рис. 8.4.

Следует учитывать, что с увеличением tp требуются более трудоемкие процессы обработки. Например, при значении tp 25%, определенном по средней линии профиля, можно применять чистовое точение, а при tp 40% необходимо хонингование. Опорная длина профиля tp oпреp% Рис. 8.3. Профили поверхностей разной формы Рис. 8.4. Кривая относительной опорной длины

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

деляет значение пластической деформации поверхностей деталей при их контакте под воздействием нагрузки.

Для неответственных поверхностей шероховатость определяется требованиями технической эстетики, коррозионной стойкости и технологией изготовления.

Требование к шероховатости поверхности устанавливают путем указания параметра шероховатости (одного или нескольких), его числового значения (наибольшего, наименьшего, номинального, диапазона значений), а также базовой длины, на которой необходимо определить параметры шероховатости. Требования к шероховатости поверхности устанавливают без учета дефектов поверхности (царапин, раковин и т. д.) — при необходимости их указывают отдельно.

Согласно ГОСТ 2.309—73 шероховатость поверхностей обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей детали, независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шероховатость которых не обусловлена требованиями конструкции.

Структура обозначения шероховатости поверхности приведена на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Структура обозначения шероховатости поверхности Глава 8. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ, ВОЛНИСТОСТИ....

В обозначении шероховатости поверхности применяют один из знаков, изображённых на рис. 8.6.

В обозначении шероховатости поверхности способ обработки, которой конструктор не устанавливает, применяют знак, указанный на рис.

8.6, а. В обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована только удалением слоя материала, например, точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием, полированием, травлением и др., применяют знак, указанный на рис. 8.6, в. В обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована без удаления слоя материала, например, литьем, ковкой, объемной штамповкой, прокатом, волочением и т. п., применяют знак, показанный на рис. 8.6, б, с указанием параметра шероховатости. Поверхности детали, изготавливаемой из материала определённого профиля и размера, не подлежащие по данному чертежу дополнительной обработке, обозначают этим же знаком без указания параметра шероховатости. Состояние поверхности, обозначенной этим знаком, должно удовлетворять требованиям, установленным соответствующим стандартом или техническими условиями на сортамент материала.

Значение параметра шероховатости по ГОСТ 2.309—73 указывают в обозначении шероховатости после соответствующего символа, например: Ra 0,4; Rmax 6,3; Sm 0,63; t50 70; S 0,032; Rz 50. Здесь указаны наибольшие допустимые значения параметров шероховатости; их наименьшие значения не ограничиваются. В примере обозначения t указана относительная опорная длина профиля tp = 70% при уровне сечения профиля р = 50%. При указании наибольшего значения параметH Рис. 8.6. Знаки обозначения шероховатости

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ