2.3.2. Принципы стандартизации типовых соединений
деталей машин
Для выбора допусков и посадок имеются проверенные системы допусков и посадок на большинство типовых соединений деталей машин и приборов (гладких, резьбовых, шлицевых, зубчатые передачи и др.)
Однако для нормирования точности электрических, магнитных, оптических, пневматических, гидравлических и других физических, а также химических параметров такие системы еще не созданы. Для обеспечения функциональной взаимозаменяемости и повышения качества и экономичности производства машин и приборов, имеющих наряду с геометрическими физические и функциональные химические параметры, необходимо создать государственные стандарты на системы допусков указанных параметров.
При разработке новых систем допусков необходимо учитывать следующие общие принципы, на которых основаны системы допусков для типовых соединений деталей машин и приборов. Знакомство с этими принципами облегчит также правильный выбор допусков и посадок на типовые соединения деталей машин при их стандартизации.
Принцип установления величин допусков, классов точности и рядов допусков. Допуск определяет величину допустимого рассеивания действительных значений того или иного параметра, определяющего качество годной детали, узла или машины в целом. Следовательно, сумма всех погрешностей (изготовления, измерения, погрешностей от нестабильности свойств материала и др.) детали или узла по данному параметру не должна быть больше допуска. Для обеспечения экономичности производства необходимо, чтобы величина допуска была не меньше суммарной фактической погрешности нормируемого параметра.
Единица допуска. Для построения системы допусков, в первую очередь, устанавливают закономерность изменения допуска в зависимости от изменения номинального значения нормируемого параметра. Например, на основании исследований и систематизации опыта механической обработки металлических деталей было установлено, что погрешность изготовления , ограничиваемая допуском Т изменяется в зависимости от двух величин.
= Т = a * i .
Где: а - количество единиц допуска, зависящее от требуемой точности получения размера и изменяющееся от квалитета, класса или степени точности по определенной закономерности;
i - единица допуска отражающая влияние технологических факторов и выражающая зависимость допуска от номинального значения параметра (например, от диаметра). Она является мерой точности параметра.
Так, в международном стандарте для основного диапазона размеров от 1мм до 500м единица допуска определяется по эмпирической зависимости
.
Единица допуска должна учитывать также функциональную роль нормированного параметра. При разработке новых систем допусков единицу допуска можно установить в результате:
1) теоретического анализа влияния отдельных факторов на погрешность исследуемого параметра, определения суммарной расчетной погрешности этого параметра и нахождения зависимости последней от изменения номинального значения исследуемого параметра; этот метод будет наиболее эффективен при разработке систем допусков на негеометрические параметры;
2) статистической оценки фактической погрешности изготовления деталей по исследуемому параметру и нахождению зависимости суммарной погрешности от изменения номинального значения исследуемого параметра.
Для большего приближения зависимостей, принятых в единице допуска, к зависимостям, характеризующим действительную точность исследуемого параметра целесообразно совмещать оба этих метода. В обоих случаях необходимо учитывать функциональную роль нормируемого параметра.
Классы (степени) точности. В каждой машине детали различного назначения изготовлены с различной точностью.
Для нормирования различных уровней точности были установлены классы, квалитеты, степени точности изготовления деталей.
В каждом квалитете, классе или степени точности различные по величине размеры однотипных поверхностей деталей имеют одну и ту же относительную точность, определяемую примерно одним и тем же коэффициентом точности a.
Количество квалитетов классов или степеней точности определялось потребностью различных отраслей промышленности, перспективами повышения точности изделий, а также технологическими факторами и принятым значением - знаменателя геометрической прогрессии, по которой изменяют величину допуска при переходе от одного класса точности к другому.
Обычно =1,6 (реже =1,25 или 1.12).
Класс точности определяет величину допуска на изготовление, а следовательно, и соответствующие методы, средства и режимы обработки
деталей.
Ряды допусков. Зная единицу допуска и значение коэффициента точности a для каждого из установленных классов точности, можно построить ряды допусков для всех размеров, охватываемых данной системой допусков с разделением их по принятым классам точности. Однако назначать величину допуска для каждого размера детали нецелесообразно, так как таблицы допусков в этом случае получились бы весьма громоздкими, а сами допуски для смежных диаметров отличались бы друг от друга на незначительную величину. Поэтому величину допуска принимают одинаковой для ряда смежных размеров диаметров, объединенных в один интервал. Например, весь диапазон диаметров от 1 до 500 мм по ОСТ разбит на 12 интервалов (от 1 до 3 мм; св. 3 до 6 мм и тд.) для всех посадок, кроме прессовых, для которых принято от 17 до 19 интервалов, и теплоходовой посадки, для которой установлено 20 интервалов.Увеличение числа интервалов для посадок с натягом объясняется повышенной чувствительностью прессовых посадок к колебаниям величин натягов, а теплоходовой - к колебаниям величин зазоров.
Для всех диаметров, входящих в один и тот же интервал, допуски и отклонения подсчитаны примерно по среднему геометрическому значению из наибольшего (dнаиб) и наименьшего (dнаим) значений номинальных размеров в данном интервале, т.е. по формуле
.
Близкие результаты дает подсчет допусков по среднему арифметическому значению размеров данного интервала, т.е.
.
Распределение диаметров было проведено таким образом, чтобы допуски, подсчитанные по крайним значениям в каждом интервале, отличались от допусков, подсчитанных по среднегеометрическому значению диаметра в том же интервале, не более чем на 5-8%.
Нормальная температура. Рассчитанные величины допустимых отклонений указывают в стандартах для деталей, размеры которых определены при нормальной температуре. Во всех странах нормальная температура принята равной 200С, как близкая к температуре рабочих помещений.
Градуировка и аттестация всех линейных и угловых мер и измерительных приборов, а также точные измерения должны производиться при нормальной температуре.
Отступления от этой температуры не должны превышать допустимых значений.
Погрешность измерения, вызванная отклонением от нормальной температуры и разностью коэффициентов линейного расширения, можно учесть введением поправки ,равной погрешности ,взятой с обратным знаком.
Однако точное определение величины поправки ,особенно для деталей сложной формы, затруднено. Поэтому для устранения температурных погрешностей целесообразно кондиционировать воздух в помещениях измерительных лабораторий, инструментальных, механических и сборочных цехов.
Система отверстия и система вала и их выбор. Посадки гладких, резьбовых, шлицевых и других деталей могут строиться по системе отверстия или по системе вала.
Системой отверстия (СА) называют совокупность посадок, в которых при одном и том же классе точности и одном и том же номинальном размере предельные размеры отверстий одинаковы для разных посадок, а различные посадки достигаются изменением предельных размеров валов (рис. 2.3).
Системой вала (СВ) называют совокупность посадок, в которых при одном и том же классе точности и одном и том же номинальном размере предельные размеры валов остаются одинаковыми; различные посадки достигаются изменением предельных размеров отверстий (рис. 2.4).
Для обработки точных отверстий применяется дорогостоящий режущий инструмент: зенкеры, развертки, протяжки, причем каждый из указанных инструментов употребляется для обработки отверстия только одного размера и определенного класса точности; валы же независимо от их размера, обрабатываются одним и тем же резцом или шлифовальным кругом.
В связи с этим распространение получила система отверстия, при которой различных по размерам отверстий будет меньше, чем при системе вала, а следовательно, будет меньше и номенклатура режущего инструмента, необходимого для обработки отверстий (разверток, зенкеров, протяжек).
С уменьшением же номенклатуры режущего инструмента изготовление его может производиться большими партиями, а затраты на эксплуатацию сокращаются.
Однако в некоторых случаях конструктивные соображения диктуют применение системы вала, например, когда требуется чередовать сопряжения нескольких отверстий одинакового номинального размера, но с различными посадками на одном валу.
Принцип установления предельных контуров деталей. Как было показано выше, действительная форма деталей в большей или меньшей степени отличается от заданной. Погрешности формы, а для резьбовых, шлицевых и других деталей со сложным профилем и отклонения в расположении отдельных элементов их профиля могут нарушить взаимозаменяемость.
Для обеспечения взаимозаменяемости необходимо установить наименьший и наибольший предельные контуры деталей, за которые не должен выходить действительный контур годных деталей даже при наличии погрешностей формы и отдельных элементов сложного профиля деталей.
Эти контуры определяются полями допусков, при определении которых учитывают взаимосвязь между отклонениями отдельных элементов профиля.
Чтобы обеспечить взаимозаменяемость по расположению поверхностей, иногда устанавливают опорный контур детали сложного профиля, который ограничивает наибольшее допустимое смещение координируемых поверхностей и служит номинальным контуром комплексных калибров.
Соблюдение предельных контуров наиболее строго проверяется с помощью комплексного контроля деталей предельными калибрами. Для достижения этого при определении формы измерительных поверхностей предельных калибров исходят из принципа подобия (принцип Тейлора) согласно которому проходные калибры по форме должны являться прототипом сопрягаемой детали и контролировать всю поверхность на длине сопряжения, т.е. обеспечивать поверхностный контакт с деталью.
Непроходные калибры должны иметь малую измерительную длину и контакт, приближающийся к точечному, для того чтобы проверять только собственно размер детали. Соблюдение принципа подобия дает возможность контролировать одновременно все связанные между собой размеры детали, отклонения формы и отклонения взаимного расположения отдельных элементов сложной поверхности детали.
При выполнении непроходных калибров полной формы, например, цилиндрической, не обеспечивается соблюдение поля допуска детали. Отклонения от заданной формы в этом случае не ограничиваются предельными контурами (полем допуска) и могут иметь недопустимые значения. Отсюда следует, что размеры детали считаются находящимися в поле допуска, если в нем находятся как измеренные в любом месте поверхности двухточечным методам размеры проверяемой детали, так и размеры геометрически правильного прототипа сопрягаемой детали, плотно (без зазора и натяга) сопрягающегося с проверяемой деталью. Таким образом, изделие считается годным тогда, когда погрешности размера, формы и расположения поверхностей находятся в поле допуска. Случаи, когда допускается отступление от этого правила, должны быть оговорены особо в рабочих чертежах.
Понятие о предельных контурах особо широко используется при рассмотрении вопросов взаимозаменяемости резьбовых и шлицевых соединений.
Принцип предпочтительности. Обычно стандартизуемые типоразмеры нормализованных деталей, ряды допусков и посадок, конструктивные элементы деталей машин и другие параметры предназначены для удовлетворения нужд ряда отраслей промышленности. Поэтому системами обычно охватываются большие диапазоны величин стандартизуемых параметров. Но это затрудняет производство, так как требуется увеличенная номенклатура типоразмеров материалов, полуфабрикатов, заготовок, инструмента, а иногда и оборудования. Это усложняет также кооперирование производства и снижает эффективность специализации заводов. Поэтому при установлении, например, рядов номинальных линейных размеров и были использованы ряды предпочтительных чисел, позволяющие количество номинальных размеров свести к минимуму.
Ряды предпочтительных чисел построены по геометрической прогрессии со знаменателями:
для ряда R5;
для ряда R10;
для ряда R20;
для ряда R40.
Установление параметрических и размерных рядов машин, узлов и деталей производится на базе конструктивного подобия. Установленные ряды должны соответствовать ряду предпочтительных чисел.
При выборе нормальных размеров и других параметров машин и приборов предпочтение нужно отдавать числам из рядов с более крупной градацией (5-й ряд предпочитать 10-му, 10-й - 20-му, 20-й - 40-му).
Допускается применение производных рядов, получаемых из основных отбором каждого второго, третьего или какого-либо другого члена основного ряда. Можно также из основных рядов составлять ряды, которые в различных диапазонах ряда имеют неодинаковые знаменатели прогрессии.
Ряды предпочтительных чисел должны применяться при выборе любых номинальных параметров машин и приборов. Только при такой единой закономерности построения размерных параметров машин и приборов можно согласовать между собой размеры других связанных с ними изделий, полуфабрикатов и материалов.
Многолетний опыт показал, что для удовлетворения различных потребностей машино- и приборостроения вполне достаточно четырех рядов, указанных выше. Кроме того, необходимо устанавливать несколько рядов (например, три) значений стандартизуемых параметров с тем, чтобы при выборе этих параметров первый ряд предпочитать второму, второй - третьему. По такому принципу построен стандарт на диаметры и шаги метрической резьбы, стандарт на нормальные углы и другие стандарты. В отечественной системе допусков и посадок на гладкие сопряжения установлены также три ряда полей допусков, два из них для предпочтительного применения.
Принцип инверсии. Для обеспечения взаимозаменяемости большое значение имеет преемственность, существующая между тремя процессами, через которые проходит деталь: изготовление, контроль и эксплуатация, так как одна и та же деталь является сначала объектом обработки, затем объектом измерения и, наконец, элементом механизма. Такое изменение назначения детали и возможный переход погрешностей обработки и измерения в погрешность функционирования детали в механизме названо принципом инверсии. Этот принцип имеет практическое применение.
Так, согласно ему, должны учитываться как погрешности изготовления, так и погрешности измерения.
Для уменьшения последних и выявления погрешностей, которые будут проявляться в работающем механизме, детали должны проверяться в условиях тождественных или близких к эксплуатационным. Поэтому измерительные базы должны совпадать с эксплуатационными (принцип единства баз); схема измерения должна соответствовать схеме рабочих движений деталей, что соблюдается, например, при однопрофильном контроле зубчатых колес. При контроле точности обработки процесс измерения должен быть построен в соответствии с той операцией, точность которой проверяется. В этом отношении активный контроль в процессе обработки полностью отвечает принципу инверсии, так как измеряемая деталь координируется от тех же технологических баз и контроль производится при том же движении детали.
Погрешность измерения должна быть малой по сравнению с погрешностью изготовления (не более 20% для деталей грубых классов и не более 35% для деталей точных классов ), и поле рассеивания погрешностей измерения, как правило, не должно выходить за поле допуска детали. Чрезмерные погрешности измерения приводят к нарушению взаимозаменяемости и браку, особенно при производстве сложных изделий.
Принцип выбора допусков, посадок и классов точности. Следовательно, ряды допусков и классы точности были построены по технологическому принципу. Выбор же допусков и классов точности необходимо производить, исходя из удовлетворения эксплуатационно-конструктивных требований, предъявляемых к работе детали, узла и машин в целом. Установленные допуски и посадки должны обеспечить заданную точность машины или другого изделия и сохранение этой точности в процессе длительной эксплуатации машины.
При прочих равных условиях обеспечение заданной точности n продолжительности работы детали, узла или механизма можно достичь также за счет повышения износостойкости деталей (что видно из сравнения величин t2 и t1 на рис. 2.5) или за счет повышения коэффициента kt (увеличения слоя металла U, на величину которого допускается износ деталей), что видно из сравнения величин t3 и t1, t4 и t2.
Так как большинство машин выходит из строя вследствие износа, то для повышения долговечности трущихся деталей, например, подшипников скольжения, направляющих станков и многих других ответственных деталей, надо шире применять компенсаторы износа, особенно автоматические. Необходимо также развивать новые тенденции в конструировании машин, направленные на автоматическое восстановление утраченных функций из-за износа, температурных и силовых деформаций и других погрешностей.
Повышение качества изделий в большинстве случаев связано с повышением точности обработки и сборки, требует большего труда рабочих и больших затрат на оборудование. Это повышает себестоимости машин.
Но при этом обеспечивается высокая точность сопряжений, постоянство характера этих сопряжений в большой партии и, как правило, более высокие эксплутационные показатели машины в целом.
Изготовлять детали по расширенным допускам проще (не требуется точного оборудования и отделочных технологических процессов), однако снижается гарантированный запас точности и, следовательно, долговечность машин.
Это противоречие должно разрешаться на основе технико-экономических расчетов. При этом следует иметь в виду, что изготовление деталей по 2-му классу точности ОСТ или 6-7 квалитету стСЭВ 144-75 на современных отечественных станках не представляет большой трудности.
Величины зазоров и натягов (т.е. характер посадки) при выбранных табличных предельных отклонениях отверстия и вала должны определяться теоретико-вероятностным методом, так как получение наибольших и наименьших зазоров и натягов маловероятно.
Точностные требования определяют не только качество изделий, но и уровень технологии производства и технического контроля, так как с повышением точности трудоемкость их изготовления и сложность контроля возрастают. Поэтому установление точностных характеристик имеет не меньшее значение, чем определение самих размеров деталей путем расчета на прочность, жесткость и т.п.
Для повышения долговечности и надежности машин в ряде случаев появляется необходимость максимального приближения размеров деталей к их расчетным величинам. Такие конструктивные требования ограничиваются технологическими возможностями, а зачастую и возможностями технических измерений, поскольку эти требования связаны в большинстве случаев с увеличением трудоемкости и стоимости изготовления и контроля деталей.
Отсюда перед конструктором, а также перед технологами и метрологами всегда стоит задача - рационально, на основе технико-экономических расчетов разрешать противоречия между эксплутационными требованиями и технологическими возможностями, исходя, в первую очередь, из выполнения эксплуатационных требований. Вместе с тем, такие предельные отклонения и допуски, проверка соблюдения которых не обеспечена достаточно точными и надежными методами измерения и измерительными средствами, устанавливать не следует.