Принцип нормирования требований к размерам деталей, узлов и механизмов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ 1.1. Общие сведения Взаимозаменяемостью называется принцип нормирования требований к размерам деталей, узлов и механизмов, используемый при конструировании, благодаря которому представляется возможным изготавливать их независимо и собирать или заменять без дополнительной обработки при соблюдении технических требований к изделию в целом. Взаимозаменяемость находится на стыке таких сфер деятельности как конструирование, изготовление и контроль различных параметров деталей, узлов и механизмов. Основным назначением взаимозаменяемости является обеспечение необходимого качества серийного производства с минимальными затратами. Широкое распространение взаимозаменяемости в производстве определяется следующими причинами (основные достоинства взаимозаменяемости): обеспечение процесса конструирования; обеспечение специализации и кооперации; удешевление производства; возможность поточного производства; упрощение процесса сборки и ремонта; гарантированное качество продукции. В процессе производства невозможно, а иногда и не нужно, изготовить элементы деталей, узлов и механизмов абсолютно точно. Это объясняется наличием погрешности обработки ∆, которая характеризуется: состоянием оборудования и технологической оснастки, режимами обработки, качеством заготовок (неоднородность материала и неодинаковость припуска на обработку), температурными условиями, упругими дефор- мациями, возникающими в системе СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь), квалификацией и ошибками рабочего. На рис. 1.1 показано влияние некоторых технологических погрешностей на точность обработки диаметра наружной поверхности при токарной обработке. Для обеспечения выполнения принципов взаимозаменяемости в технической документации на деталь или изделие должны задаваться требования, ограничивающие возможные погрешности производства. Такие требования задаются в виде допуска Т, при этом погрешность всего множества экземпляров деталей или изделий, изготовленных по данной документации, не должна превышать Т (Σ∆ ≤ Т). Для обеспечения геометрической точности элементов деталей необходимо задавать требования точности (допуски) по четырем параметрам: точность размера, точность геометрической формы, точность расположения поверхностей детали и шероховатость поверхностей детали. Между двумя характеристиками точности (допуском и по2 ΔD грешностью) существует принципиальное различие. Допуск выражает требование к точности 1 ∑ всего множества образцов одного 3 вида изделий, изготовленных по данной документации, независимо от времени и места производства, а погрешность — это вспомогаt тельная характеристика точности, которая отражает результаты измерений единичного образца. Поэтому различают нормированную 4 и действительную точности. Рис. 1.1. Влияние технологических поНор миров а нна я т о ч грешностей на точность обработки диан о с т ь — совокупность допуметра наружной поверхности: 1 — размерный износ инструмента; 2 — упругие дефорсков, оформленная в стандартной мации инструмента, детали станка; 3 — температурные деформации инструмента, станка; 4 — температурная системе, проставляется в технидеформация обрабатываемой детали; Σ — суммарное ческой документации. влияние технологических погрешностей на точность изготовления диаметра Д е й с т в и т е л ь н а я т о ч н о с т ь — совокупность всех действительных отклонений параметров данного образца изделия, определенных в результате измерений. Этот вид точности устанавливается при доводке изделия по результатам испытаний и контроля. Действительная точность фиксируется в акте испытаний, в паспорте или формуляре. 1.2. Виды взаимозаменяемости Можно выделить несколько видов взаимозаменяемости по различным классификационным признакам. Полная взаимозаменяемость — позволяет производить беспригоночную сборку, при этом обеспечиваются работоспособность изделия и соблюдаются все технические требования к нему. Н е п о л н а я в з а и м о з а м е н я е м о с т ь — готовое изделие получают без доработки, а для обеспечения выходных характеристик возможны дополнительные операции (компенсация погрешностей, селективная сборка). Например, при сборке подшипников качения с кольцами определенных размеров подбирают шарики и ролики также определенных размеров. Если разобрать несколько подшипников и перемешать их детали, а затем снова их собрать, то, скорее всего, не все из них будут удовлетворять техническим требованиям. Размерная взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость по геометрическим параметрам. П а р а м е т р и ч е ская в з а и м о з а м е н я е м о сть — относится к устройствам, в которых эксплуатационные свойства характеризуются различными физическими параметрами. Внешняя взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость по выходным данным узла — его присоединительным размерам или эксплуатационным параметрам. 1.3. Основные понятия о размерах, отклонениях и допусках Дадим определения основных понятий, принятых для нормирования точности размеров в машино- и приборостроении. Р а з м е р н ы й э л е м е н т — геометрическая форма, определяемая линейным или угловым размером. Размерными элементами могут быть цилиндр, сфера, две параллельные противолежащие плоскости и т.п. При создании систем допусков и посадок элементов деталей машин и приборов рассматриваются только размерные элементы, такие. как цилиндр и две параллельные противолежащие плоскости. Л и н е й н ы й р а з м е р — числовое значение линейной величины в выбранных единицах измерений (м, мм, мкм). Ном и н а л ь н ы й р а з м е р Dн — размер геометрического элемента идеальной формы, определенной чертежом. Номинальный размер используют для расчета предельных размеров путем его сложения с верхним и нижним предельным отклонением. Его получают в результате расчетов (прочностных, кинематических и др.) или из опытных данных и округляют до стандартного значения. Он указывается на чертеже. Значение номинального размера выбирают из рядов предпочтительных чисел, которые представляют собой геометрические прогрессии со знаменателями 5 10, 10 10, 20 10, 40 10. Эти ряды имеют следующие обо- ( ) ( ) ( ) ( ) значения: R5 5 10 , R10 10 10 , R20 20 10 , R40 40 10 . Например, ряд R5 имеет знаменатель геометрической прогрессии 1,6 и значения номинальных размеров принимаются равными: 10, 16, 25, 40 мм и т.д. Де й с т в и т е л ь н ы й р а з м е р — размер присоединенного полного элемента. Присоединенный полный элемент — это элемент правильной формы, присоединенный (совмещенный) к выявленному полному элементу при соблюдении согласованных условий. Выявленный элемент получают путем измерения каких-либо параметров реального геометрического элемента. Обрабатывая результаты измерения, получают заданные параметры присоединенного элемента. Например, при измерении диаметра цилиндрического отверстия на координатной измерительной машине измеряют координаты нескольких точек, лежащих на цилиндрической поверхности отверстия. Затем значения этих координат подвергают математической обработке и получают идеальный цилиндр, расположенный определенным образом относительно точек (в зависимости от поставленной задачи), координаты которых измерялись. Этот идеальный цилиндр является присоединенным, а его диаметр — действительным диаметром измеряемого отверстия. П р е д е л ь н ы е р а з м е р ы — предельно допустимые размеры размерного элемента. Годный действительный размер находится между предельными размерами или равен им. В этом заключается принцип нормирования точности размеров. В е р х н и й п р е д е л ь н ы й р а з м е р Dmax — наибольший допустимый размер размерного элемента. Н и ж н и й п р е д е л ь н ы й р а з м е р Dmin — наименьший допустимый размер размерного элемента. О т к л о н е н и е р а з м е р а — разность между действительным и номинальным размерами. В е р х н е е п р е д е л ь н о е о т к л о н е н и е (ES — для отверстий, es — для валов) — алгебраическая разность между верхним предельным размером и номинальным размерами. Н и ж н е е п р е д е л ь н о е о т к л о н е н и е (EI — для отверстий, ei — для валов) — алгебраическая разность между нижним предельным и номинальным размерами. Особенностью отклонений является наличие знака (+) или (–), так как предельные размеры могут быть больше, меньше или равны номинальным. Д о п у с к — разность между верхним и нижним предельными размерами. Допуск также может быть определен как разность между верхним и нижним предельными отклонениями. Допуск всегда положительное число. На рис. 1.2 показано графическое представление размеров и отклонений на схемах. Н у л е в а я л и н и я — линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются отклонения. Интервал допуска es ei Номинальный размер Dн Максимальный размер Dmax Dmin Нулевая линия Минимальный размер Рис. 1.2. Графическое изображение поля допуска вала на схеме И н т е р в а л д о п у с к а (прежний термин «поле допуска») — множество значений размера, ограниченное верхним и нижним предельными размерами. Он определяется значением допуска и его расположением относительно номинального размера. О с н о в н о е о т к л о н е н и е — предельное отклонение, определяющее расположение интервала допуска относительно номинального размера. Основным отклонением является то из предельных отклонений, которое соответствует ближайшему к номинальному предельному размеру. 1.4. Основные понятия о посадках При создании различных механизмов возникает необходимость в соединении двух или более деталей. Такое соединение получило название — посадка, а детали, участвующие в нем, — вал и отверстие. В а л — наружный размерный элемент детали (включая наружные размерные элементы, не являющиеся цилиндрическими). О т в е р с т и е — внутренний размерный элемент детали (включая внутренние размерные элементы, не являющиеся цилиндрическими). П о с а д к а — соединение наружного размерного элемента и внутреннего размерного элемента (отверстия и вала), участвующих в сборке. Посадка характеризуется полученными в ней значениями зазоров и натягов. З а з о р — разность между размерами отверстия и вала, когда диаметр вала меньше диаметра отверстия. Зазор — положительное число. Н а т я г — разность размеров отверстия и вала до сборки, когда диаметр вала больше диаметра отверстия. В зависимости от возможности взаимного перемещения деталей в посадке последние делятся на три вида: посадки с зазором, посадки с натягом и переходные посадки. П о с а д к а с з а з о р о м — посадка, при которой в соединении отверстия и вала всегда образуется зазор, т.е. нижний предельный размер отверстия больше или равен верхнему предельному размеру вала. Интервал допуска отверстия всегда расположен над интервалом допуска вала (рис. 1.3). Посадка с зазором характеризуется значениями наибольшего Smax и наименьшего Smin зазоров. Посадки с зазором применяются в случаях необходимости относительного смещения сопрягаемых деталей. Smax Nmax Nmax Nmin Smax Smin Отверстие Посадкаснатягом — посадка, при которой в соединении отверстия и вала всегда образуется натяг, т.е. верхний предельный размер отверстия Вал меньше или равен нижнему предельному размеру вала. Интервал 0 допуска отверстия всегда распо- Рис. 1.3. Графическое изображение посадки с зазором ложен под интервалом допуска вала (рис. 1.4). Посадка с натягом Вал характеризуется значениями наиОтверстие большего N max и наименьшего Nmin натягов. Посадки с натягом применяются при необходимости неподвижного соединения без 0 Рис. 1.4. Графическое изображение посаддополнительного закрепления ки с натягом сопрягаемых деталей. Переходная посад к а — посадка, при которой в соединении отверстия и вала возможно получение, как зазора, так и натяга. В переходной посадке интервал допуска отверстия и интервал допуска вала перекрываются частично или полностью (рис. 1.5), поэтому наличие зазора или натяга в соединении зависит от действительных размеров отверстия и вала. Переходная посадка характеризуется возможными значениями наибольшего зазора Smax и натяга Nmax. Переходные посадки применяются вместо посадок с натягом, если при эксплуатации необходимо проводить разборку и сборку механизма. Переходные посадки обычно требуют дополнительноОтверстие го крепления. Посадки с одинаковыми зазорами и натягами можно полуВал чить при различных положениях интервалов допусков отверстий 0 и валов. Для ограничения колиРис. 1.5. Графическое изображение переходной посадки чества различных сочетаний интервалов допусков отверстий и валов сформулированы понятия посадок в системе отверстия или системе вала. Принципиальный подход заключается в том, что при образовании всех трех видов посадок поле допуска отверстия (система отверстия) или вала (система вала) принимает постоянное положение, причем одно из предельных отклонений совпадает с нулевой линией. Такие отверстия и валы называются основными. О с н о в н о е о т в е р с т и е — отверстие, выбранное за базовое для посадок в системе отверстия. Основным является отверстие, нижнее предельное отклонение которого равно нулю. О с н о в н о й в а л — вал, выбранный за базовый для посадок в системе вала. Основным является вал, верхнее предельное отклонение которого равно нулю. П оса д к а в с и с т е м е отв е р с т и я — посадка, в которой основное отклонение (нижнее предельное отклонение) отверстия равно нулю. Требуемые зазоры или натяги образуются сочетанием валов, имеющих различные интервалы допуска, с основными отверстиями (рис. 1.6, а). Посадка в системе вала — посадка, в которой основное отклонение (верхнее предельное отклонение) вала равно нулю. Требу- Вал Отверстие Вал Отверстие Вал Отверстие Вал Отверстие а б Рис. 1.6. Графическое изображение интервалов допусков отверстий и валов в посадках в системе отверстия (а) и системе вала (б) емые зазоры или натяги образуются сочетанием отверстий, имеющих различные интервалы допуска, с основными валами (рис. 1.6, б). Наиболее часто по технологическим и экономическим соображениям используется система отверстия. Контрольные вопросы 1. Что такое взаимозаменяемость? 2. Какие существуют виды взаимозаменяемости? 3. Что такое номинальный и действительный размеры? 4. Что такое предельные отклонения и допуск? 5. Что такое интервал допуска и основное отклонение? 6. Что такое посадка? Какие бывают виды посадок? 7. Чем характеризуются посадки с зазором, натягом и переходные? 8. Что такое посадки в системе отверстия и системе вала?