38

3. Точность в производстве изделий ркт

3.1. Понятие о точности [1]

3.1.1. Функциональные, конструкторские и технологические допуски

Под точностью обработки следует понимать степень соответствия параметров изготовленной детали данным чертежа или ее прототипу. Аналогично точность сборки – это степень соответствия машины или соединения надежно функционирующему прототипу в заданных условиях эксплуатации. Точность является важнейшим показателем качества продукции в машиностроении. Чаще всего приходится иметь дело с точностью геометрических параметров.

Абсолютные размеры и другие показатели продукции в производстве достичь нельзя. Поэтому сознательно идут на регламентируемые допустимые отклонения размеров и других показателей, т. е. работают в пределах допусков. Допуск представляет собой разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. По абсолютной величине он равен алгебраической разности между верхним и нижним отклонениями. Различают функциональные, конструкторские и технологические допуски.

Функциональные допуски устанавливают, исходя из допустимых отклонений эксплуатационных показателей машины или детали. Так, для несопрягаемых поверхностей это могут быть допуски на диаметры сопел гидросистем, жиклеров карбюраторов и т.д. Функциональный допуск Т_ф в этом случае равен разности между наибольшим и наименьшим допустимыми значениями этого размера, определенными, исходя из допустимого изменения эксплуатационных показателей изделия (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема расположения полей допусков

В функциональный допуск Т_ф входят эксплуатационный Т_эк и конструкторский Т_к допуски. Первый характеризует запас точности, необходимый для сохранения требований точности детали в процессе длительной эксплуатации. Второй идет на компенсацию различных погрешностей. В случае сопрягаемых поверхностей конструкторский допуск учитывает погрешности изготовления деталей, погрешности сборки соединений и машин, их регулировки, а также компенсирует прочие погрешности.

Конструкторские допуски также связаны с функциональным (служебным) назначением машины и условиями ее работы. Собственно допуск устанавливают на основе анализа работы машины с учетом затрат на ее изготовление и последующую эксплуатацию (с помощью теоретических и экспериментальных данных).

Допуски на промежуточные размеры, возникающие в ходе технологического процесса, называют технологическими. Они связаны со сложными процессами возникновения погрешностей. Чтобы технологический допуск был меньше конструкторского, такие погрешности должны быть сведены к минимуму. В этом случае облегчается процесс сборки соединений и машин. Анализ соотношений между конструкторскими и технологическими допусками позволяет судить о совершенстве технологического процесса.

3.1.2. Точность размера, формы и расположения поверхностей

Механическая обработка заготовок резанием обеспечивается на металлорежущих станках, оснащенных различными приспособлениями и режущими инструментами. Собственно заготовка (З), оборудование (станок) (С), приспособление (П) и инструмент (И) образуют целую систему, элементы которой не только связаны между собой, но и должны быть замкнуты (показано на рис. 3.2 пунктирной линией). Если такого замыкания не происходит, процесс обработки осуществить нельзя. Каждый из указанных элементов не является идеальным по своим качествам. Все элементы переносят свои показатели качества на заготовку при изготовлении из нее детали. Кроме того, сам процесс резания характеризуется особенностями, которые также вносят свои изменения в показатели качества деталей. В результате возникают погрешности деталей и точность ее, как правило, снижается.

Рис. 3.2. Замкнутая технологическая система

Каждая деталь машины представляет собой сочетание поверхностей. При всем многообразии деталей современных машин число видов поверхностей ограничено. Это – цилиндрические, конические, плоские и фасонные поверхности. Точность механической обработки заготовок, связанная с функционированием замкнутой технологической системы элементов, проявляется в трех аспектах: точность размера, точность формы и точность расположения поверхностей.

Точность размера различных поверхностей деталей должна соответствовать допуску. Так, возникающие отклонения диаметров шеек валов, глубин отверстий и их диаметров, различных углов и т.п. могут колебаться в соответствии со значениями допусков. Точность размера в значительной степени определяет качество продукции. По своему назначению размеры могут быть отнесены к различным группам. Координирующие размеры используют для определения взаимного расположения поверхностей деталей, а также осей. Это размеры, как правило, ответственных поверхностей, определяющих служебное назначение детали. Например, у корпусных деталей типовыми являются плоские поверхности и отверстия для размещения валов, подшипников. Координирующие размеры увязывают между собой плоские и цилиндрические поверхности корпусов.

Сборочные размеры определяют положение одних элементов машин относительно других. Это размеры прежде всего присоединительных поверхностей. У корпусных изделий присоединительными чаще всего бывают плоские поверхности. Кроме указанных применяют технологические размеры, которые необходимы при изготовлении деталей и их контроле.

К какой бы группе не относился размер, его точность непосредственно влияет на качество машины, т. е. на способность выполнять свои функции в установленных пределах.

Решение проблемы точности требует еще одного аспекта рассмотрения понятия “размер”. Различают номинальные, действительные и предельные размеры. Относительно номинального определяют предельные размеры. Номинальный размер служит началом отсчета отклонений и устанавливается конструктором, исходя из служебного назначения детали. Поскольку технологическая система станок – приспособление – инструмент – заготовка не может обеспечить постоянный (номинальный) размер из-за особенностей функционирования, вводят понятие действительного размера. Его определяют измерением с допустимой погрешностью. Действительные размеры не должны отличаться от номинальных более чем на допустимую величину. Поэтому различают два предельных размера – наибольший и наименьший. Значение номинального размера находится между наибольшим и наименьшим, а также может быть равно одному из них.

Размер, называемый действительным, для оценки качества продукции имеет особое значение. В ходе изготовления детали в каждый момент времени этот размер оказывается различным. Физическая природа этого явления связана с использованием в машиностроении реальных технологических систем, которые имеют погрешности собственного изготовления, работают в условиях постоянного изнашивания инструмента и, следовательно, постоянно изменяющихся силовых факторов. Кроме того, они воспринимают действие нестационарного теплового поля, переменной жесткости. На качество детали по параметру точности влияют также погрешности настройки инструмента, установки обрабатываемой заготовки и ряд других факторов.

Детали, изготовленные с соблюдением допусков на размеры, способствуют созданию качественной машины, несмотря на то, что каждая деталь ограничена поверхностями, размеры которых отличаются от номинальных;

Детали лишь на чертежах характеризуются номинальными (идеальными) поверхностями, а фактически ограничены реальными поверхностями. Детали всегда имеют отклонения формы.

Обеспечение точности формы всегда связано с преодолением технологических трудностей, гораздо более ощутимых, чем в случае достижения заданного размера. В частности, в производственных условиях возникают отклонения от круглости. Они непосредственно сказываются на качестве соединений, имеющих цилиндрические поверхности, потому что по таким поверхностям устанавливают ответственные детали и элементы машин и прежде всего – подшипники качения. Подшипники вследствие отклонения формы колец могут быстрее утратить свои первоначальные характеристики.

Условия формообразования деталей оказываются настолько сложными, что одновременно возникает целый ряд отклонений геометрического характера: отклонение от цилиндричности, перпендикулярности и пр. Технологическое обеспечение геометрических параметров в заданных пределах является одним из условий обеспечения качества машин. Так, у пары “вал – корпус” вал при поступательном движении не может перемещаться строго по прямолинейной траектории, если он имеет отклонение от цилиндричности или такие отклонения имеет отверстие корпуса. Следовательно, такая пара из-за отклонений формы не обеспечивает необходимого качества соединения.

При оценке точности формы необходимо использовать количественные показатели. На рис. 3.3 в утрированном виде представлена деталь типа двухступенчатого вала. В любом поперечном сечении размеры вала определяются переменным радиусом R, отсчитываемым от центра О номинального сечения диаметром D_н. Радиус R, являющийся текущим размером, зависит от угловой координаты φ. Текущий размер будет также меняться от координаты z. Начальное значение радиуса оговаривают. Например, им может быть радиус R₁ с угловой координатой φ₁. Любой контур поперечного сечения удовлетворяет условию замкнутости, т. е. f(φ) = f(φ + 2π). Период функции равен 2π.

Рис. 3.3. Схема определения отклонений размеров, формы и расположения

Реальный контур диаметром D на левом торце вала ограничен прилегающей окружностью (на рис. 3.3 показана пунктиром). Отклонение от круглости, характерное для каждого сечения, определяют по специальной методике и обозначают ΔΦ. Следовательно, для каждого сечения можно определить ΔD) – отклонение размера. Прилегающая окружность имеет центр в точке О₁. Поэтому действительный контур детали отличается от номинального (идеального), а их оси смещены на величину эксцентриситета е. При более детальном рассмотрении геометрической картины образования действительного контура можно убедиться, что его ось в общем виде не является прямой линией. Тот факт, что на практике оси часто считают прямыми, является условностью, которая, однако, в большинстве случаев удовлетворяет машиностроителей. Приведенный анализ характерен для любого сечения ступени А вала длиной l₁.

Отклонения формы весьма удобно описывать с помощью рядов Фурье. Рассмотрим функцию погрешности действительного профиля f(φ) в полярной системе координат:

,

где а₀/2 – нулевой член разложения; а_k, b_k – коэффициенты ряда Фурье k-й гармоники; k – порядковый номер соответствующей гармоники.

Вместо рядов для практических целей удобно пользоваться тригонометрическим полиномом

,

где п – порядковый номер высшей гармоники разложения. Отношение С₀/2 можно принять в качестве среднего значения функции f(φ) за период τ = 2π и определять как расстояние от базового значения текущего размера до средней линии геометрических отклонений профиля. Поэтому значение С₀/2 представляет собой отклонение размера.

Первый член разложения характеризует расстояние между центрами вращения O₁ и геометрическим центром О, т. е. эксцентриситет е (см. рис. 3.3). Такой эксцентриситет указывает на отклонение расположения поверхности и выражает его количественно. Последующие члены полинома (начиная со второго) описывают спектр отклонений формы детали в поперечном сечении.

Второй член характеризует овальность сечения, третий  – огранку с трехвершинным профилем и т.д. Поэтому сечение детали следует представлять очерченным контуром, имеющим отклонение размера, с центром, смещенным от геометрического центра. Контур имеет овальную форму, на которую наложены огранки с различным числом вершин. Дальнейшее рассмотрение членов ряда приводит к высокочастотным составляющим, соответствующим волнистости и шероховатости.

Высказанные соображения характерны и для ступени В вала Длиной l₂ (см. рис. 3.3). Однако у этой ступени может оказаться своя ось, повернутая на угол Θ в любой из плоскостей относительно оси Oz, а также могут возникать свои собственные погрешности. Отклонения профилей, т. е. погрешности формы, целесообразно представлять и в продольных сечениях. Тригонометрический полином для описания продольного сечения может быть применен на основе цилиндрической системы координат (координатами являются R, φ, z).

Первый член разложения в этом случае характеризует конусообразность, второй – выпуклость, а при сдвиге фазы – вогнутость контура. Так, применительно к рис. 3.3, на ступени А вала возникла седлообразность (вогнутость) с отклонением Δ, а на ступени В – бочкообразность (выпуклость) с отклонением Δ₁.

По аналогии с предыдущим профиль детали в продольном направлении представляет собой сложное сочетание конических поверхностей с наложением на них седлообразных, бочкообразных, волнистых поверхностей. Все профили в поперечных и продольных сечениях всегда формируются из-за несовершенства технологических систем. Отклонения от идеальных профилей при определенных условиях могут быть малы. Но только сравнение их с допустимыми величинами может показать, можно ли ими пренебречь. Если отклонения больше допустимых, необходимо принимать. меры к тому, чтобы технологическая система обеспечивала бы необходимую точность. Поэтому возникает проблема управления с помощью соответствующих мероприятий (и технологических решений) точностью технологических задач.

Качество деталей оценивают также отклонениями расположения поверхностей, т. е. отклонениями реального расположения поверхности от номинального. Такие отклонения возникают в результате функционирования технологических систем.

Отклонения формы не рассматривают во время оценки отклонений расположения поверхностей, при этом реальные поверхности заменяют идеальными, называемыми прилегающими поверхностями. Каждое из отклонений расположения поверхностей имеет свое точное определение и методику производственной оценки. Прилегающими элементами могут быть прямые линии, окружности, плоскости, цилиндры.

Оценить качество деталей по отклонению от параллельности можно, измерив расстояние между двумя прилегающими к реальным поверхностям плоскостями в различных точках нормируемого участка. Отклонения расположения поверхностей можно определить и с помощью осей. На рис. 3.3 ступени А и В вала имеют прямолинейные оси. Взаимное расположение ступеней определяется положением осей (угол Θ). В общем случае оси могут иметь отклонения от параллельности, а также перекос или отклонение от пересечения. Типичным для деталей, имеющих отверстия (например, корпусных), является отклонение от соосности. Такое отклонение решающим образом влияет на долговечность подшипников, установленных в отверстиях корпусов.

С помощью прилегающих элементов определяют отклонение от перпендикулярности, которое, например, можно оценивать углом между двумя плоскостями, прилегающими к реальным поверхностям конкретной детали. При оценке отклонений от симметричности относительно базовой плоскости определяют положение последней и от нее измеряют расстояние до плоскости симметрии реального профиля.

Все отклонения формы и расположения поверхностей должны быть рассмотрены применительно к конкретным деталям, исходя из их служебного назначения. Так, в одном случае решающее влияние на качество деталей оказывает отклонение от круглости, в другом – перекос осей и т.д. Числовые значения отклонений формы и расположения поверхностей в каждой стране представлены соответствующими нормами.

Для практики удобно указывать отклонения формы и расположения в процентах от допуска на размер. Для этого потребовалось дополнительно ввести понятие уровня точности. Так, для первого уровня точности отклонения формы и расположения не должны быть больше 60%, для второго – 40%, а для третьего – 25% допуска на размер. Могут быть установлены и другие соотношения. В особых случаях допуски формы и расположения оговаривают дополнительно в технических условиях на изготовление детали.

На практике каждому методу обработки соответствует определенная допустимая точность, указанная в справочниках, и наоборот, можно определить метод обработки по заданному на чертежах допуску. Данные в справочной литературе постоянно обновляют, числовые значения уточняют, а также конкретизируют условия обработки (обработка заготовок из различных материалов, учет жесткости технологических систем, заданная шероховатость поверхностей и пр.).