1.3. Технологичность деталей механизмов. Взаимозаменяемость и стандартизация. Допуски и посадки

Экономическая эффективность использования спроектированного устройства в значительной степени зависит от стоимости изготовления, затрат по обслуживанию и ремонту. Технологичной в изготовлении называется конструкция, которая требует минимальных затрат труда, времени и средств при полном соответствии своему назначению. На технологичность влияет материал, форма детали, способ получения заготовки, требуемая точность размеров, шероховатость поверхности.

Работоспособность деталей и узлов механизмов машин и приборов во многом зависит от правильного выбора материалов, их термической и химико-термической обработки. При этом необходимо учитывать механические, технологические и физико-химические свойства, а также стоимость и дефицитность материалов. Для изготовления деталей применяются чугуны, стали, цветные металлы, их сплавы и неметаллические материалы.

В процессе изготовления деталей и сборки механизмов, а также при их эксплуатации происходит искажение форм и размеров звеньев, изменяется характер сопряжения в кинематических парах, возникают деформации деталей, которые изменяют кинематические и динамические свойства механизмов и заметно влияют на точность и надежность выполнения механизмами заданных функций. Одним из важных принципов конструирования механизмов, приборов, машин является принцип взаимозаменяемости.

Взаимозаменяемость и стандартизация. Допуски и посадки.

Взаимозаменяемость и стандартизация означают возможность замены одной детали (узла) другой при сборке или в эксплуатации и ремонте с соблюдением требований качества и экономичности. Различают взаимозаменяемость геометрическую (по размерам и по установке) и функциональную (по назначению и эксплуатационным показателям). Взаимозаменяемость обеспечивается системой стандартов.

Стандартизация - процесс установления и применения обязательных норм, называемых стандартами, по которым должны соответствовать типы, параметры, качественные характеристики изделий в масштабах предприятия, отрасли, республики, страны, группы стран. Существуют стандарты: предприятия - СТП; отрасли - ОСТ; государственные - ГОСТ; республики - РСТ; международные - МС (объединяют требования национальных стандартов). К разновидностям стандартизации относят унификацию, симпликацию и типизацию.

Унификация - рациональное сокращение числа типов, видов и размеров изделий путём использования конструкций и деталей, одинаковых по своему функциональному назначению, единообразию.

Симпликация - уменьшение числа различных типов разновидностей конструкций с целью экономической целесообразности.

Типизация - типовые виды различных конструкций, сохранение для ряда изготовленных деталей одинаковых параметров.

Надзор за соблюдением стандартов в нашей стране осуществляется единой системой конструкторской документации (ЕСКД), которая должна соблюдать строгое оформление конструкторской документации по ГОСТу.

Допуски и посадки. Единая система допусков и посадок - ЕСПД (ГОСТ 25346-82 и ГОСТ 25347-82) в нашей стране соответствует требованиям Международной организации по стандартизации - ИСО.

Геометрические параметры деталей количественно оцениваются размерами. Размеры, проставленные на чертежах деталей или соединений, называют номинальными (n). Эти размеры определяют расчетами или конструктивно и округляют до ближайшего из ряда ГОСТ 6636-69 «Номинальные линейные размеры». При изготовлении деталей полное соответствие между указанными на чертежах и действительными размерами практически недостижимо.

ЕСКД предусматривает, что все элементы деталей, изображенных на рабочем чертеже, должны иметь предельно допустимые размеры (наибольший предельный размер - П_тах, наименьший предельный размер - П_miп).

Действительный размер Д должен находиться в интервале П_тiп<Д<П_тах. Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называют допуском (П_тах - П_тiп = δ).

Размеры могут быть сопряженными и свободными. Сопряженный размер - общий для двух соединенных между собой деталей. Соединения, охватывающие поверхности, носят общее название - отверстия, а охватываемые - вал (независимо от конфигурации деталей) (рис. 1.1).

Исходя из функционального назначения деталей и характера их сопряжения, назначают наибольшие и наименьшие предельные размеры деталей, при которых обеспечивается правильная сборка и нормальная работа узла и механизма.

Предельные допустимые размеры на рабочих чертежах деталей наносят условно в виде номинальных размеров (n) с указанием предельных отклонений (верхнее отклонение вала - es, отверстия - ES, нижнее отклонение вала - ei, отверстия - ЕI) (рис. 1.2).

Верхним отклонением (es и ES) называют алгебраическую разность между наибольшим предельным размером и номинальным размером.

Нижним отклонением (ei и ЕI) называют алгебраическую разность между наименьшим предельным размером и номинальным размером.

Совокупность отклонений отверстия и вала в соединении указывает на характер сопряжения. По разности между размерами отверстия и вала судят о свободе относительного перемещения детали, либо о прочности их неподвижного соединения. Характер соединения деталей называется Посадкой. В зависимости от размеров сопрягаемых деталей в соединении может возникнуть зазор - S (положительная разность между размерами отверстия и вала) или натяг - N (отрицательная разность между размерами отверстия и вала).

Существуют три вида посадок: зазором - S, натягом - N и переходные, характеризующиеся наименьшим зазором S_min и наименьшим натягом N_min. Зону между наибольшим и наименьшим предельными размерами называют Полем допуска. Изменяя положение поля допуска вала или отверстия, можно получить нужную посадку. Однако для всех посадок поле допуска одной из деталей должно быть неизменным. Деталь, у которой положение поля допуска остается без изменения и не зависит от вида посадки, называют основной деталью системы. Если этой деталью является отверстие, то соединение выполнено в системе отверстия с полем допуска Н, если основной деталью является вал - в системе вала с полем допуска h. У основного отверстия нижнее отклонение ЕI = 0. Поле допуска направлено в сторону увеличения номинального размера. У основного вала верхнее отклонение es=0. Поле допуска направлено в сторону уменьшения номинального размера.

Основные отклонения обозначают буквами латинского алфавита: для отверстий - прописными А, В, С и т.д. (рис. 1.3, а), для валов - строчными а, Ь, с и т.д. (рис. 1.3, 6). Посадки преимущественно назначают в системе отверстия с основным отверстием Н, у которого ЕI = О.

К различным соединениям предъявляют неодинаковые требования в отношении точности, поэтому система допусков содержит 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2, 3 ... 17, расположенных в порядке убывания точности. Поле допуска отверстия или вала обозначают отклонением (буквой латинского алфавита) и квалитетом точности, т.е. H7, F7 ... или к6, n6 ... .

Рис. 1.3

Посадки обозначают комбинациями условных обозначений полей допуска отверстий и вала. Например, означает соединение двух деталей, где диаметр; 40 - номинальный размер сопрягаемых деталей; - посадка; H7 и f6 – допуск (поле допуска) отверстия и вала; Н и f - отклонения отверстия и вала; 7 и 6 - квалитеты точности; посадка выполнена в системе отверстия – основная деталь отверстие – Н. Та же посадка в системе вала будет иметь обозначение

Для посадок с зазором рекомендуют применять неосновные валы f, g, h; для переходных посадок – j_s, к, т, n; для посадок с натягом – р, r, s.

Переходные посадки предназначаются для получения неподвижных соединений, подлежащих периодической разборке и сборке. Переходные посадки применяются в соединениях с использованием дополнительных фиксирующих устройств - штифтов, шпонок и др. Для соединения валов и ступиц насаживаемых на них деталей применяют посадки Н7/к6; Н7/n6; К7/h6. Посадки Н7/m6 используют в штифтовых соединениях.

Для получения неразъемных соединений используют неподвижные посадки – посадки с натягом. За счет натяга эти посадки обеспечивают неподвижность соединений без применения дополнительных крепежных устройств. В системе вала применяют посадки P7/h7, P6/h6, в системе отверстия – Н7/h6, Н7/р6, Н7/r6.

Пример 1.1. Построить схему полей допусков для посадок:

а) с зазором ; б) переходной ; в) с натягом .

1. Из справочных таблиц выписываем: для основного отверстия Н7: верхнее отклонение для ES=+25 мкм; нижнее отклонение для EI=О.

Значения отклонений валов, соответственно, нижнее и верхнее:

для f6 es = -25 мкм; ei =-41 мкм;

для n6 es = +33 мкм; ei = + 17 мкм;

для r6 es = +50 мкм; ei = +34 мкм.

2. Определяем предельные размеры

Отверстия H7:

D_max = 45 + ES = 45 + 25,025 = 45,025 мм;

D_min = 45 + EI = 45 + 0,000 = 45,000 мм.

Вала:

Для f6 d_max = d_n - es = 45 - 0,025 = 44,975 мм;

d_min = d_n - ei = 45 - 0,041 = 44,959 мм;

для n6 d_max = d_n+ es = 45 + 0,033 = 45,033 мм;

d_min = d_n +ei = 45 + 0,017 = 45,017 мм;

для r6 d_max = d_n+ es =45 +0,050 = 45,050 мм;

d_min = d_n + ei = 45 + 0,034 = 45,034 мм.

3. Определяем зазоры или натяги в соединениях

С зазором

S_max = D_max - d_min = 45,025 - 44,959 = 0,066 мм;

S_min = D_min - d_max = 45,000 - 44,975 = 0,025 мм.

Переходная

S_max = D_max - d_min = 45,025 - 44,017 = 0,008 мм;

N_max = D_min - d_max = 45,000 - 45, 0335 = -0,035 мм.

С натягом

N_max = D_min - d_max = 45,000 - 45,050 = - 0,050 мм;

N_min = D_max - d_min = 45,025 - 45,034 = - 0,009 мм.

4. Изобразим схему полей допусков для этих трех посадок.

Посадки подшипников качения

ГОСТ 520-71 устанавливает пять классов точности подшипников качения, обозначаемых в порядке повышения точности: 0; 6; 5; 4; 2. Подшипники высоких классов точности (5; 4; 2) относительно дороги. Поэтому в машиностроении используют подшипники 0 и 6 класса точности.

Посадку подшипников выбирают так, чтобы кольцо с вращающейся деталью имело натяг (неподвижное соединение), а другое кольцо, сопрягаемое с неподвижной деталью, - небольшой зазор (проскальзывание). Рекомендуется назначать допуск на вращающиеся детали под внутреннее кольцо подшипника к6, j_s6, а под наружное кольцо подшипника в неподвижной детали, H7,I_s6. Подшипниковые посадки, соответственно, обозначаются или ; вращается внутреннее кольцо подшипника и , где LO, L6, l0, l6 - класс точности подшипника; H7, J_s6, к6, j_s6 - допуски на отверстия и валы под подшипниковые кольца, соответственно.

Размеры несопрягаемых элементов деталей называются свободными, предельные отклонения на чертежах указываются с использованием квалитетов 12-17. Предельные отклонения свободных размеров указываются общей записью в технических требованиях чертежа, например

Допуски формы и расположение поверхностей.

Шероховатость поверхности

Погрешности формы и расположения поверхностей возникают при обработке деталей вследствие деформаций оборудования, инструмента и деталей, неоднородности материала заготовки и других причин.

Допуски формы и расположения поверхностей указывают на чертежах условными обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.308-79. (рис. 1.5).

Эти обозначения состоят из графического символа, обозначающего вид допуска: допуск округлости формы; допуск цилиндрической формы; - допуск параллельности по­верхности; -допуск перпендикулярности поверхностей;

- допуск соосности поверхностей; - допуск радиального биения; - допуск симметричности поверхностей и др. Знаки и «Т» обозначают, что допуск задан в диаметральном выражении числового значения допуска в миллиметрах и буквенного обозначения базы или поверхности, с которым связан допуск расположения. На чертежах условное обозначение указывают в прямоугольных рамках (рис. 1.6).

Базы обозначают зачерченным равносторонним треугольником, высота которого равна высоте размерных чисел. Если базой является ось или плоскость симметрии, то соединительная линия должна быть продолжением размерной.

Допуски формы цилиндрической поверхности, параллельности, перпендикулярности, соосности и др. зависят от размеров и квалитетов, значения допусков приводятся в справочных таблицах (например, Дунаев П.Ф., Леликов ал. Детали машин. Курсовое проектирование. М.: Высшая школа, 1984.336 с.).

Шероховатость поверхностей деталей. Под волнистостью и ше­роховатостью принято понимать погрешности формы в виде периодически повторяющихся выступов и впадин. Разницу между ними уста­навливают по отношению шага неровностей S к высоте Н (рис. 1.7). К шероховатости относят неровности S / Н < 50, а к волнистости S/Н = 50 ... 1000. Неровности с S/Н> 1000 относятся к отклонениям формы.

Оценка шероховатости (рис. 1.7, а) по ГОСТ 2.309-73 (в ред. Изменения № 1, end/ в июне 1980г., Изменения № 2, end/ в августе 1984 г., Изменения № 3, end/ в декабре 2002 г., Стандарт полностью соответствует стандарту ИСО 1302).

а)

Основные параметры шероховатости: R_a - среднее арифметических абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l;

R_z- сумма средних арифметических абсолютных отклонений пяти наибольших максимумов Hi_max и пяти наименьших минимумов Hi_min профиля в пределах базовой длины l; R_max - наибольшая высота неровностей профиля (расстояние между линиями выступов и впадин профиля в пределах базовой длины); t_p- относительная опорная длина профиля, где индекс р - значение уровня сечения профиля; шаг не­ровности профиля S_min - длина отрезка средней линии; средний шаг неровностей S_m - среднее арифметическое значение шага неровностей по средней линии; S - средний шаг неровностей по вершинам про фи­ля в пределах базовой линии.

Структура обозначения шероховатости поверхности приведена на рис. 1.7, б. В обозначении шероховатости применяют один из знаков, изображенных на рис. 1.7,6.

Высота h должна быть приблизительно равна применяемой на чертеже высоте цифр размерных чисел. Высота Н (равна (1,5-5)h). Толщина линии знаков должна быть приблизительно равна половине толщины сплошной линии, применяемой на чертеже.

В обозначении шероховатости поверхности, способ обработки которой конструктором не устанавливается, применяют знак . В обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована только удалением слоя материала, применяют знак . В обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть образована без удаления слоя материала, применяют знак с указанием значения параметра шероховатости. Поверхности детали, изготовляемой из материала определённого профиля и размера, не подлежащие по данному чертежу дополнительной обработке, должны быть отмечены знаком без указания параметра шероховатости.

Значение параметра шероховатости по ГОСТ 2789-73 указывают в обозначении шероховатости после соответствующего символа, например: Ra 0,4; Rmax 6,3; Sm 0,63; t₅₀ 70; S 0,032; Rz 50. В примере t₅₀ 70 указана относительная опорная длина профиля t_p = 70 % при уровне сечения профиля р = 50 %.

При указании наибольшего значения параметра шероховатости в обозначении приводят параметр шероховатости без предельных отклонений, например: ; .

При указании наименьшего значения параметра шероховатости после обозначения параметра следует указывать «min»,

например: ; .

При указании диапазона значений параметра шероховатости по­верхности в обозначении шероховатости приводят пределы значений параметра, размещая их в две строки,

например: и т. п.

В верхней строке приводят значение параметра, соответствующее более грубой шероховатости.

При указании номинального значения параметра шероховатости поверхности в обозначении приводят это значение с предельными от­клонениями по ГОСТ 2789-73, например: Ra1+20%; Rz100_-10%;

Sm 0,63^+20%; t₅₀ 70+ /-40 % и т.п.

При указании двух и более параметров шероховатости поверхности в обозначении шероховатости, значения параметров записывают сверху вниз в следующем порядке (измененная редакция. Изм. № 3):

параметр высоты неровностей профиля

параметр шага неровностей профиля

относительная опорная длина профиля

При нормировании требований к шероховатости поверхности базовую длину в обозначении шероховатость не приводят.

Вид обработки поверхности указывают в обозначении шероховатости только в случаях, когда он является единственным, применимым для получения требуемого качества поверхности .

Допускается применять упрощенное обозначение шероховатости по­верхностей с разъяснением его в технических требованиях чертежа, так –

Полировать

где

Таким образом, в упрощённом обозначении используют знак и строчные буквы русского алфавита в алфавитном порядке без повторений и, как правило, без пропусков.

Обозначения шероховатости поверхностей на изображении изделия располагают на линиях контура, выносных линиях (по возможности ближе к размерной линии) или на полках линии-выносок. Допускается при недостатке места располагать обозначение шероховатости на размерных линиях или на их продолжениях, на рамках допуска формы, а также разрывать выносную линию.

При указании одинаковой шероховатости для всех поверхностей изделия обозначение шероховатости помещают в правом верхнем углу чертежа и на само изображение не наносят (рис. 1.9, а). Размеры и толщина линий знака в обозначении шероховатости, вынесенном в правый верхний угол чертежа, должны быть приблизительно в 1,5 раза больше, чем в обозначениях, нанесённых на изображении.

в) Рис. 1.9

Обозначение шероховатости, одинаковой для части поверхностей изделия, может быть помещено в правом верхнем углу чертежа (рис. 1.9, б) вместе с условным обозначением ( ). Это означает, что все поверхности, на которых на изображении не нанесены обозначения шероховатости или знак , должны иметь шероховатость, указанную перед условным обозначением ( ) (рис. 1.9, в). Размеры знака, взятого в скобки, должны быть одинаковыми с размерами знаков, нанесённых на изображении. Если шероховатость одной и той же поверхности различна на отдельных участках, то эти участки разграничивают сплошной тонкой линией с нанесением соответствующих размеров и обозначений шероховатости (рис. 1.10).

Обозначения шероховатости рабочих поверхностей зубьев зубчатых колёс, эвольвентных шлицев и т.п., если на чертеже не приведен их профиль, условно наносят на линии делительной поверхности. Обозначение шероховатости поверхности профиля резьбы наносят по общим правилам при изображении профиля (рис. 1.11, а) или условно на выносной линии для указания резьбы (рис. 1.11, б, в, г, д) на размерной линии или на ее продолжении (рис. 1.11, а).

Е

сли шероховатость поверхностей; образующих контур, должна быть одинаковой, обозначение шероховатости дается один раз (рис. 1.12).

Обозначение одинаковой шероховатости

сложной конфигурации следует приводить в

технических требованиях чертежа со ссылкой на

буквенное обозначение поверхности, например:

шероховатость поверхности . Рис. 1.12

Выбор числовых значений параметров производится в зависимости от требований, предъявляемых к поверхности. При выборе следует иметь в виду, что уменьшением числовых значений параметров шероховатости повышаются износоустойчивость и усталостная прочность материала, возрастает стойкость против коррозии и уменьшается трение. От степени шероховатости сопрягаемых поверхностей в значительной мере зависит стабильность подвижных и неподвижных посадок.