6.2.5 Забезпечення точності складання вузла

На стадии проектирования большое место занимает размерный анализ конс­трукции, с помощью которого определяют методы достижения точности сборки сборочных единиц и общей сборки изделия. Одновременно решаются задами по определению точностных параметров деталей: предельных отклонений размеров. формы и взаимного расположения поверхностей.

При проектировании изделий используются все технические возможности для сохранения методов взаимозаменяемости. Однако опыт машиностроения показывает, что назначение допусков на размеры детали связано с возникнове­нием сложных противоречий. С одной стороны, точность летали, назначаемой конструктором из требований функциональной целесообразности, с другой — достижимая точность, определяемая технологом с учетом производственных ус­ловий. Если требования точности детали не могут быть выполнены на данном производстве, то методы полной и неполной взаимозаменяемости не применяют. В конструкцию вводят специальные детали — компенсаторы, которые позволяют расширить допуски на механическую обработку деталей изделия до приемлемых либо экономически оправданных.

В технологии машиностроения используются принципы обеспечения задан­ной точности исходного замыкающего звена сборочной размерной цепи, осно­ванные на методах взаимозаменяемости и методах компенсации.

Такие методы достижения требуемой точности замыкающего звена, как метод групповой взаимозаменяемости, методы регулирования, пригонки и сборки с компенсирующими материалами, предполагают компенсацию погрешностей со­ставляющих звеньев размерной цепи непосредственно при сборке, поэтому их относят к методам технологической компенсации.

Если одна из штатных деталей сборочной единицы допускает изменение (ре­гулирование) ее составляющего или структурного размера в процессе сборки либо в процессе эксплуатации машины, то такая деталь называется конструктор­ским компенсаторам. Достижение же заданной точности исходного замыкающего размера посредством такого компенсатора называется конструкторской компен­сацией. Применение конструкторской компенсации наиболее целесообразно для уменьшения отрицательного влияния на качество машины погрешностей формы и взаимного положения поверхностей (неплоскостность, непаралельность и неперпендикулярность).

Выбор того или иного метода обеспечения заданной точности замыкающего звеня размерной цепи обусловлен требованиями точности, особенностями конс­трукции сборочной единицы либо машины в целом, типом производства. Крите­рием выбора является минимизация суммарных затрат на изготовление или восстановление деталей и сборку машины.

Выбор методов достижения требуемой точности начинается с изучения конс­трукции и выявления ее исполнительных поверхностей. Затем определяются со­став сборочных единиц и деталей, их связь и взаимодействие, Далее формулируются задачи, которые необходимо решить в процессе достижения требуемой точности машины или сборочной единицы. Каждая задача касается точности только одно­го из параметров размерной связи, поэтому для ее решения выделяется соответс­твующая размерная цепь.

В процессе решения задачи требуется: выявить исходное замыкающее звено, отражающее сущность решаемой задачи (расстояние или относительный попорот поверхностей, осей); выявить составляющие звенья размерной цепи (расстояния, относительные повороты); выявить размерную цепь. Следует идти от поверхнос­тей (осей) деталей, образующих исходное замыкающее звено, к основным базам (осям) деталей, базирующих первые детали; отдельными звеньями учитываются несовпадения основных и вспомогательных баз (осей) и т. д. до вспомогательных баз базирующей детали сборочной единицы и образования замкнутого контура.

Выявленный исходный замыкающий размер наносят на схематический чер­теж изделий или сборочной единицы и обозначают в соответствии с ГОСТ 16319. На этот же чертеж наносят составляющие размеры, обозначенные той же буквой, что и исходный замыкающий размер. Индексация порядковыми номерами на­значается в направлении обхода замкнутого контура размерной цепи по часовой стрелке, начиная с исходного замыкающего. Так как к составляющим размерам относятся только те размеры, которые непосредственно влияют на исходный за­мыкающий, то только один размер детали может быть составляющим размером данной размерной цепи.

Целью расчета сборочной размерной цепи является: определение номиналь­ного размера и предельных относительных отклонений исходного замыкающего размера по заданным размерам и отклонениям составляющих звеньев; проверка соответствия установленного техническими требованиями допуска исходного за­мыкающего размера допускам составляющих размеров (по чертежу); выбор мето­да достижения точности исходного замыкающего звена и соответствующего ме­тода расчета размерной цепи.

Часто составляющим является линейный размер детали (длина дистанцион­ной втулки, длина ступицы и т. д.). У покупных изделий (подшипников качения, муфт, электродвигателей и т. п.) в качестве составляющего в размерную цепь вхо­дит конечный размер, охватывающий несколько деталей комплекта. Например, монтажная высота конического роликового подшипника, длина муфты в сборе, расстояние от торца упорного буртика на валу электродвигателя до оси крепеж­ного отверстия в опорной лапе и т. д. Иногда в размерную цепь в качестве состав­ляющего входит размер, характеризующий комплект деталей, обрабатываемых совместно после сборки, например расстояние от средней плоскости зубчатою венца червячного колеса до торца ступицы, расстояние между осями отверстий втулок, обрабатываемых совместно с корпусом.

В размерных цепях, определяющих точность взаимного положения, на­пример, базирующей поверхности и оси вала, осей валов в передачах, осей шпинделей в станках и т.п., составляющими размерами являются: отклоне­ния от соосности наружных колец подшипников — радиальные биения доро­жек качения; смещения осей наружных колец подшипников в пределах поса­дочного зазора в отверстии корпуса; смещения центров дорожек качения внутренних колец подшипников, вызванные наличием зазоров в подшипни­ках; отклонения от соосности наружных и внутренних цилиндрических по­верхностей втулок.

По характеру влияния на исходный замыкающий размер величины состав­ляющих размеров размерной цепи различаются на скалярные, векторные и от­носящиеся к сопряжениям с зазором. В типовых размерных цепях к скалярным (простым) относятся величины линейных размеров (длины втулок, ступиц, ко­лец, расстояния между поверхностями и т. п.). К векторным относятся величи­ны радиальных и осевых биений поверхностей, отклонений от соосности со­пряженных поверхностей.

Необходимость учитывать величины размеров, связанных с зазорами в со­пряжениях, вызвана тем, что зазоры создают возможность относительного сме­шения как деталей, образующих сопряжения, так и других смежных с ними де­талей. Выборка зазоров в процессе сборки или работы изделия в итоге может приводить к потере точности взаимного расположения деталей и, следователь­но, качества изделия.

Установка двух сборочных единиц на общем основании. Задача обеспечения точнос­ти установки двух сборочных единиц на общей плите, раме, фундаменте возникает при обшей сборке машин и механизмов и в пищевом машиностроении встречается достаточно часто. Точность взаимного расположения этих углов оценивается отно­сительным расположением соединяемых валов, которое, в свою очередь, определя­ется тремя параметрами: допускаемым смешением к радиальном направлении; до­пускаемым углом относительного поворота; допускаемым смещением в осевом направлении. Эти параметры являются исходными размерами соответствующих раз­мерных цепей и зависят от наличия и типа соединительной муфты, т. е, оттого, какие по величине погрешности (смешения и перекосы валов) могут быть допущены.

Типичным примером установки двух узлов на общей плите является установка электродвигателя 2(рис. 6.7) и редуктора У на плите 3. Очевидно, что радиальное и угловое смещение валов произвольно расположены в пространстве и являются замыкающими размерами сложных пространственных размерных цепей. Для удобства рассмотрения указанные смещения следует путем проецирования при­вести к радиальному и угловому смещениям в вертикальной и горизонтальной плоскостях и тем самым от двух сложных пространственных цепей перейти к че­тырем более простым линейным.

Требуемая точность сборки двух сборочных единиц на обшей плите обеспечи­вается геометрическими характеристиками объекта сборки, которыми являются исходные замыкающие размеры соответствующих размерных цепей. Л_д — харак­теризует смещение осей валов в вертикальной плоскости: у_д — характеризует не­параллельность (точность углового расположения) осей валов в вертикальной плоскости, Б_А и р_л — соответствующие характеристики в горизонтальной плос­кости (рис. 6.7); Л_д — характеризует смещение валов в осевом направлении (рис. 6,В). Таким образом, можно отметить, что в общем случае относительное расположение двух узлов, установленных на общей плите, описывается пятью размерными пепями: А, у, Б, р, Л. Выявленные исходные замыкающие размеры наносят на чертеж и конструктивные схемы и далее выявляют и наносят состав­ляющие размеры, как это описано выше, получая тем самым расчетные схемы размерных цепей.

На рис. 6.7 выявлена размерная цепь А, определяющая точность расположе­ния осей валов электродвигателя и редуктора в вертикальной плоскости: Д, — ис­ходный размер, радиальное смешение осей валов в вертикальной плоскости; А, и А₄ — расстояния соответственно от осей валов электродвигателя и редуктора до опорных поверхностей (вспомогательных баз базирующей детали — плиты); А₂ — компенсаторная прокладка; А_:, — размер уступа плиты.

Размерная цепь у определяет точность углового расположен ия осей валов элек­тродвигателя и редуктора в вертикальной плоскости; у_д — нспараллельность осей валов; у,, у₂, у₅, у_А — отклонения от параллельности основных и вспомогательных баз соответствующих деталей объекта сборки.

На рис. 6.7 показана схема расположения крепежных отверстий дли установки электродвигателя и редуктора на плите и получена размерная цепь Б: £_Л — исход­ный замыкающий размер, допускаемое радиальное смешение осей валов в го­ризонтальной плоскости; 6, и E_s — расстояния от осей валов до линии располо­жения крепежных отверстий соответственно в лапах двигателя и корпуса редуктора; Б₂ и £₄ — несовпадения осей крепежных отверстий в электродвига­теле и плите; Б- — расстояние между линиями расположения крепежных отвер­стий в плите для электродвигателя и редуктора.

Размерная цепь р определяет точность углового расположения осей валов в го­ризонтальной плоскости. В этой цепи: (3_Л — исходный замыкающий размер, пере­кос осей (непараллельность в горизонтальной плоскости); f^ и р₅ — отклонения от параллельности осей валов и линий расположения осей крепежных отверстий соответственно в липах двигателя и корпусе редуктора; р₂ и р₄ — отклонения от параллельности линий расположения крепежных отверстий в лапах электродви­гателя и плите и соответственно в корпусе редуктора и плите; р₃ — отклонение от параллельности линий расположения крепежных отверстий в плите пол редуктор и электродвигатель.

Относительное осевое положение электродвигателя и редуктора (рис. 6.8) ха­рактеризуется размерной цепью Л. Л_Л — исходный размер, зазор между торцами полумуфты; Л, и Л, — осевые размеры ступиц полумуфт; Л₂ и Л₆ — расстояния от осей крепежных отверстий на лапах электродвигателя и корпусе редуктора до упорных торцов соответственно вала электродвигателя и вала редуктора; Л, и Л₅ — несовпадения осей крепежных отверстий соответственно в идите и на лапах 'jjickтродвигателя и в плите и корпусе редуктора; Л₄ — расстояние между системами крепежных отверстий в плите под электродвигатель и редуктор.

На рис. 6.8 размерная цепь К координирует входящий конец пала и, следова­тельно, положение полумуфты относительно оси крепежного отверстия редукто­ра: А"₄ — исходный замыкающий размер, расстояние от оси крепежного отверстия до упорного ториа входного вала редуктора; все составляющие размеры размер­ной цепи К,, .... А, — понятны из рисунка. Следует отметить, что исходный раз­мер К_л является составляющим размером Л₆ в размерной цепи Л, т. е. Л₆ = K_h. Для электродвигателя размер Л₂ является аналогично К_А исходным замыкающим для подобной размерной цепи.

Отклонение от соосности валов в вертикальной плоскости формируется пог­решностями размеров Л,, А_}, A_t и отклонениями от параллельности у,, у,, у₄ (рис. 6.7); предельные отклонения высоты осей вращения и отклонение от парал­лельности оси вращения относительно базовой плоскости (и рассматриваемом примере А, к А, и у, и у₄) принимаются по ГОСТ 8592, ГОСТ 16162, ГОСТ 13267. Для удобства контроля непараллельность и перекос осей валов у_Л в технических условиях на сборку задают линейным смещением Л₍ на длине / (на­пример, при ^ = 0,1 мм и /= 100мм пишуту_д = 0,1/Ю0 мм/мм).

Соосность валов в горизонтальной плоскости обеспечивают при сборке пере­мещением и поворотом узлов по базовым плоскостям. Точность смешения осей валов зависит от применяемых сборочных приспособлений, точности контроль­ных средств и квалификации сборщиков.

Радиальное смешение в вертикальной плоскости получают с помощью ком­пенсаторных подкладок А, (рис. 6.7) под каждой лапой, которые потом фрезеру­ют или шлифуют до требуемого размера (метод пригонки). Возможна установка под каждую лапу набора подкладок (метод регулирования), размеры и количество которых получают расчетом (обычно 2...3 подкладки из ряда толщин: 0,1; 0,2; 0,4; 0,8 мм). Применение подкладки или набора подкладок одинаковой толщины от­клонения от параллельности осей валов в вертикальной плоскости не компенси­рует. Поэтому под каждую лапу электродвигателя ставят подкладки или набор подкладок разной толщины.

Суммарное осевое смешение осей валов получается суммированием погреш­ностей осевых размеров (рис. 6.8). При необходимости его уменьшают выверкой осевого положения узлов путем перемещения их на боковой плоскости.

На точность осевого положения монтируемых узлов непосредственно влияет составляющий размер Л₄ (рис. 6.8), связывающий на плите (раме) системы кре­пежных отверстий под электродвигатель и под редуктор. Предельные отклонения на этот размер устанавливаются нормами точности по ГОСТ 14140.

Сборочные единицы механизмов привода машин.

Особенностью большинства технологических машин и механизмов является наличие привода, в состав которого входят различные передачи либо выполнен­ные в виде отдельных сборочных единиц (редукторы), либо встроенные в конс­трукцию машины.

Надежность работы наиболее часто применяемых в пищевом машиностро­ении зубчатых и червячных передач может быть достигнута только при стро­гом выполнении заданных требований точности изготовления деталей и сбор­ки, В силу характерных особенностей условий работы конических и червячных зацеплений точность сборки таких передач тре­бует особого внимания.

При проектировании, изготовлении и сборке червячных передач необходи­мо обеспечить точность совпадения средней плоскости зубчатого венца червячного колеса с осью вращения червяка (рис. 6.11).

Осевое положение червячного колеса определяется размерной цепью Р: Р_& — исходный замыкающий размер, несовпадение средней плоскости венца червячного колеса с осью червяка; P_i — расстояние от оси отверстий под опоры вала червяка до базового торца корпуса: Р₃ — звено-компенсатор (набор прокладок); /*₃ — размер, относящийся к крыш­ке подшипника (цепной размер); Р₄ — монтажная высота подшипника; Р, — цепной размер на валу колеса, расстояние между торцами буртика; />₆ — рассто­яние между средней плоскостью зубчатого венца и базовым торцом ступицы червячного колеса.

При установке валов на подшипниках качения требуется обеспечить необхо­димый по условиям эксплуатации радиальный зазор в подшипниках, который при сборке проявляется как необходимый условный осевой зазор между торцами крышки и наружного кольца подшипника. Для стандартных радиально-упорных подшипников, например, этот зазор принимают равным осевой игре и назначают по справочным данным. Зазор между торцами крышки и наружного кольца подшип­ника определяется размерной цепью, например, приведенной на рис. 6.11. В раз­мерной цепи Н. Н_А — исходный замыкающий размер, условный зазор между торцами наружного кольца подшипника и крышки; //,, Я₅ — цепной размер крышки подшипника, расстояние между базовыми торцами; //-,, Н₄ — звенья-компенсаторы (набор прокладок); И_} — размер между базовыми торцами корпуса; H_h, И_](1 — монтажная высота подшипника; //₇ — цепной р;омерш uaiy колеса, расстояние между базовыми торцами буртика; W, — ддина ступицы червячного колеса; Д, —высота дистанционного кольца.

Как видим, на рис;. 6.11 размерные цепи Рн Н имеют общие звенья, участвую­щие в двух размерных цепях, следовательно, они представляют собой параллель­но связанные схемы размерных цепей.

Обеспечение точности осевых зазоров центробежного насоса. Функциональны­ми показателями качества сборки является подача и герметичность при заданной частоте вращения. Подача связана с осевыми зазорами между элементами крыль­чатки и соответствующими направляющими поверхностями корпуса насоса и корпуса подшипников (рис. 6.15).

Поэтому в процессе сборки должны быть обеспечены указанные зазоры в пре­делах назначенных допусков. Точность осевого зазора между лопатками крыльчатки и корпусом подшипников определяется размерной цепью Н, для которой: Н_л — исходный замыкающий размер, осевой размер между конусной поверхнос­тью корпуса подшипников и кромками лопастей крыльчатки; Я_{ — расстояние от торца корпуса подшипников до конусной поверхности; И₂ — расстояние между базовыми торцами корпуса; Я₃ — длина дистанционной втулки; Я₄ — ширина внутреннего кольца подшипника; Я₅ — толщина отражателя; Н_ь — толщина сто­порного кольца; И₇ — расстояние от базового торца канавки до упорного торца на валу насоса; Я₈ — расстояние между упорным и наружным торцом крыльчатки; Я, — осевой размер лопасти по наружной цилиндрической поверхности крыль­чатки (высота лопасти).

Точность осевого (торцового) зазора между крыльчаткой и корпусом насоса определяется размерной цепью /7, для которой; П_А — исходный замыкающий размер, осевой (торцовый) зазор; Я, — высота лопасти, осевой размер по наруж­ной цилиндрической поверхности крыльчатки; П₂ — осевой зазор между конус­ной поверхностью корпуса подшипников и кромками лопастей; /7, — размер кор­пуса подшипников между базовым торцом и конической поверхностью; Я, — толщина набора прокладок, размер компенсатора; Л₅ — расстояние между торца­ми корпуса насоса.

Как видим, размерные цепи Я и Я на рис. 6.15 имеют общие звенья, причем исходный замыкающий размер Я_Л является составляющим (П₂) размерной цепи Я. В этой непосредственно связанной паре схем первой должна быть рас­считана размерная цепь Я.

При расчете размерных цепей рассматривают две задачи: прямую и обратную.

Прямая задана обычно решается и процессе проектирования, когда по задан­ным характеристикам исходного замыкающего размера определяются характе­ристики составляющих размеров. Расчет размерной цепи в этом случае практи­чески сводится к определению номинальной величины и предельных отклонений составляющих размеров по заданным номинальным величинам и предельным от­клонен иям замыкающего размера.

Обратная задана заключается в определении характеристик замыкающего раз­мера по известным характеристикам составляющих размеров. В этом случае расчет размерной цепи сводится к определению номинальной величины и предельных отклонений замыкающего размера по номинальным величинам и предельным откло­нениям составляющих размеров. В процессе решения обратной задачи определя­ются также величина и предельные отклонения одного из составляющих размеров по известным характеристикам остальных составляющих и исходного замыкающе­го размеров цепи. Такая постановка задачи обычно имеет место, когда точность сборки изделия определяется размерной цепью с компенсатором,

Отметим, что при рассмотрении расчетов размерных цепей характеристи­ками размера являются номинальная величина У, предельные отклонения es, ei и допуск Г.

В зависимости от метода достижения точности исходного замыкающего раз­мера, поставленной задачи, технологических возможностей изготовления и сборки изделия и производственных условий, размерные цепи рассчитываются следующи­ми методами: на максимум — минимум и вероятностным. Первый из них учитыва­ет только предельные отклонения составляющих звеньев цепи, второй учитывает явление рассеивания и вероятность различных сочетаний отклонений составля­ющих звеньев.

В практике машиностроения при проектировании и производстве машин принято, что при большом числе составляющих звеньев в размерной цепи (при л— 1 > 5) требуемая точность исходного замыкающего размера достигается по ме­тоду неполной взаимозаменяемости. При я - 1 < 5 возможно достижение точнос­ти методом полной взаимозаменяемости.

Расчет размерных цепей на максимум — минимум.

Расчет размерных цепей на максимум — минимум проводится тогда, когда требуемая точность сборки достигается методом полной взаимозаменяемости. Этот метод предполагает, что любая деталь включается в сборочную единицу без выбо­ра, подбора или подгонки при условии полного сохранения требуемых эксплуата­ционных свойств изделия. Требуемая точность сборки будет обеспечена только в том случае, если величина исходного замыкающего размера соответствующей размерной цепи не выходит за пределы допуска при самых неблагоприятных со­четаниях предельных отклонений составляющих размеров.

При проектных конструкторских и технологических расчетах применяют следующие методы рас­чета характеристик составляющих размеров размерных цепей: метод попыток (пробных расчетов), метод равного квалитета, метод равных допусков, метод про­порционального влияния и метод экономического обоснования.

При расчете методом попыток назначают допуски составляющих размеров на основании опыта производства аналогичных изделий. Затем рассчитывают до­пуск исходного замыкающего размера и сравнивают его с заданным. При сущест­венном неравенстве этих величин корректируют допуски составляющих размеров и повторяют расчет. Этот универсальный метод особенно эффективен при расче­те допусков в единичном и мелкосерийном производстве.

Метод равного квалитета предполагает назначение на все составляющие разме­ры допусков одного квалитета, который определяют по величине допуска исходно­го замыкающего размера, числу составляющих размеров и их номинальных значений. При этом допуски на некоторые составляющие размеры могут быть известны заранее, например на размеры и зазоры подшипников качения, муфт, электродви­гателей и других стандартных или нормализованных изделий. К заданным заранее допускам относятся также допуски на отверстия и валы, образующие сопряжения, характер которых определен функциональным назначением. В реальных условиях квалитет допуска назначается в зависимости от производственных условий по при­нятому методу обработки или вероятности появления брака.

Метод равных допусков при проектных расчетах применяют тогда, когда со­ставляющие размеры однотипны, а номинальные размеры мало различаются. Этот метод во многом является частным случаем метода равного квалитета.

Метод пропорционального влияния учитывает следующие обстоятельства. Пог­решность обработки детали зависит от номинального размера, т. е. <о = ф(У% но так как обычно принимают ( = <о, то следовательно и допуск также есть функция размера t = <p(Y). Кроме того, как известно, па исходный замыкающий размер влияют коэффициенты приведения С, и коэффициенты относительного рассеи­вания K_f Расчетные зависимости допусков учитывают указанные факторы и поз­воляют корректировать допуски в соответствии с конкретными условиями.

Метод экономического обоснования допусков позволяет назначить допуски со­ставляющих размеров таким образом, чтобы стоимость изготовления всего комп­лекта при заданном допуске исходного замыкающего размера была наименьшей. Суть этого метода заключается в том, чтобы добиться такого распределения до­пуска исходного замыкающего размера среди составляющих размеров, при кото­ром стоимость обработки всех деталей комплекта будет наименьшей.

Наиболее перспективным и правильным из перечисленных методов расчета до­пусков является метод экономического обоснования. Однако распространение его ограничивается сложностью и трудоемкостью вычислений, поэтому его целесооб­разно использовать в автоматизированном и массовом производстве. Экономичес­кими расчетами установлено, что наихудшие результаты дает метод равного квалитета, и применять его не рекомендуется. В настоящее время более других распространен проектный расчет характеристик составляющих размеров по методу попыток (пробных расчетов).

Основным достоинством обеспечения точности сборки методом полной взаи­мозаменяемости и соответствующего ему метода расчета на максимум — минимум является простота организации процесса сборки и эксплуатации изделий маши­ностроения. Крупнейшим же недостатком является необходимость назначении жестких требований к изготовлению деталей сборочной единицы, во многих слу­чаях экономически невыполнимых. Формула (6.45) показывает, что при большом числе составляющих размеров допуски могут быть чрезвычайно малыми и реаль­но невыполнимыми. В то же время самое неблагоприятное сочетание предельных отклонений при значительном числе составляющих звеньев в размерной цепи практически невозможно. В связи с этим расчет на максимум — минимум должен применяться лишь для коротких сборочных размерных цепей, имеющих число составляющих размеров я— 1 < 5, либо для ориентировочных и приближенных решений и при дополнительных контрольных расчетах размерных цепей.

Вероятностный метод расчета размерных цепей.

Вероятностный метод расчета размерных цепей является основным при обес­печении точности сборки методом неполной взаимозаменяемости при числе со­ставляющих размеров п — 1 > 5. Такой метол расчета учитывает фактическое рас­пределение истинных размеров внутри полей их допусков и вероятностей их различных сочетаний при сборке, Установлено, что при п— 1 >5 распределение размеров исходного замыкающего размера происходит по нормальному закону при любых законах распределения размеров составляющих звеньев. Поэтому при неизвестных законах распределения считается правильным применение вероят­ностного метода расчета.