11. Базирование и базы в машиностроении

Основой настоящего раздела являются материалы ГОСТ 21495 ¾ 76 и ГОСТ 3.1107 ¾ 81.

11.1. Понятие о базировании и базе

Установка изделия в определенном положении на станке или в сборочной единице называется базированием.

База – это элементы изделия: поверхности, оси, линии или точки, положение которых ориентируют изделие определенным образом на станке или в сборочной единице.

11.2. Основной принцип установки заготовок на станках при механической обработке (правило шести точек)

При механической обработке заготовку необходимо надежно установить и закрепить. Из теоретической механики известно, что твердое тело в пространстве имеет шесть степеней свободы, т. е. имеет возможность перемещаться и вращаться относительно координатных осей. Накладывая на тело связи, его лишают степеней свободы. Число связей для абсолютно неподвижного тела равно числу степеней свободы, т.е. шести. Таким образом, чтобы обеспечить полную неподвижность изделия, т.е. надежно его установить и закрепить, необходимо наложить на него шесть связей. Это требование в технологии машиностроения называется правилом шести точек.

Связи, полностью исключающие возможность перемещения изделия относительно координат, называются двухсторонними. Двухсторонние связи создаются базированием и закреплением заготовки. В технологии машиностроения их называют опорными точками, иногда изображают в виде  и нумеруют. Покажем реализацию правила шести точек на примерах базирования и закрепления некоторых твердых тел.

Призматическое тело

Прижмем призматическое тело к плоскости XOY декартовой системы координат, лишив его тем самым трех степеней свободы – перемещения вдоль оси Z и вращения вокруг осей X и Y (рис.11.1). Таким образом, получим три двухсторонних связи в виде опорных точек 1-3. Теперь прижмем тело к плоскости YOZ. В этом случае образуются еще две двухсторонние связи 4;5 и общее число опорных точек станет равным пяти. Чтобы лишить тело шестой степени свободы, его необходимо прижать к плоскости XOZ. Таким образом, возникает шестая двусторонняя связь 6, что лишает тело всех степеней свободы. Необходимо, чтобы силы закрепления и резания действовали в одном направлении. Это исключает смещение заготовки под действием сил резания, что может привести к поломке инструмента, порче изделия травмам и. т. д.

Длинное цилиндрическое тело

Теперь рассмотрим применение правила шести точек при базировании длинного цилиндрического тела (рис.11.2). Установим и закрепим его на призме или в цанге (втулке с разрезами), лишив его тем самым четырех степеней свободы – перемещения и вращения относительно осей X и Z (рис.11.2;а,б). Таким образом, получим четыре двухсторонних связи в виде опорных точек 1-4. Пятую связь получим, прижимая торцевую поверхности цилиндра к координатной плоскости XOZ. Это будет пятая опорная точка, которая устраняет возможность перемещения цилиндра вдоль собственной оси. Шестую связь, которая препятствует вращению цилиндра вокруг этой оси, можно получить кинематическим или силовым замыканием.

Кинематическое замыкание осуществляется соединением цилиндра с опорой с помощью шпонки или шипа, который может быть размещен на торце цилиндра. Эта связь является двухсторонней и показана на рис.11.2;а в виде опорной точки 6.

Для силового замыкания тело необходимо прижать опорам. Тогда в опорах возникнут силы трения, которые будут препятствовать вращению цилиндра вокруг собственной оси. Такие связи называются фрикционными. На схеме (рис.11.2;а) эти связи представлены силами трения . За счет фрикционных связей осуществляется закрепление заготовки. Однако базирование заготовки в направлении действия сил трения отсутствует, т.к. положение заготовки в этом направлении до закрепления может быть любым, а при базировании заготовка должна занимать вполне определенное положение. Поэтому фрикционная связь не уменьшает число степеней свободы заготовки, т.к. под действием сил резания заготовка может перемещаться. Очевидно, что для существования фрикционных связей необходимо, чтобы силы резания не превышали сил трения, которые возникают на опорных поверхностях при закреплении.

Короткое цилиндрическое тело

Цилиндрическое тело типа диска будем считать коротким, если его длина существенно меньше диаметра . Цилиндрическую поверхность диска трудно использовать для устойчивого базирования, в то время как значительные размеры торцевой поверхности обеспечивают достаточную устойчивость. Прижмем диск к плоскости XOZ, лишив его тем самым трех степеней свободы – перемещения вдоль оси Y и вращения вокруг осей X и Z (рис.11.3). Таким образом, получим три двухсторонних связи в виде опорных точек 1-3. Контакт боковой поверхности диска с призмой или втулкой лишает его двух степеней свободы – перемещения вдоль осей X и Z с образованием двухсторонних связей в виде опорных точек 4 и 5. Шестую связь можно получить, как и в предыдущем случае, с помощью шипа.

Длинное коническое тело с малой конусностью

Примерами таких тел являются хвостовики различных режущих инструментов: сверл, фрез, и. т. д. (рис.11.4; а). При базировании по такой конической поверхности тело лишается пяти степеней свободы – перемещения относительно всех координатных осей и вращения относительно двух. Шестую степень свободы, вращение вокруг собственной оси, можно устранить с помощью шипа. Препятствовать вращению можно также за счет силы трения, т.е. фрикционной связи.

Цилиндрическое тело с двумя короткими внутренними коническими поверхностями с большой конусностью

Примером такого тела является вал с двумя центровыми отверстиями, выполненными по ГОСТ 14034 ¾ 74. Схема установки такого тела представлена на рис.11.4; б. Базирование по одному отверстию лишает тело возможности

перемещения вдоль координатных осей. Возможность поворота вокруг осей остается. Поэтому в данном случае тело обладает тремя степенями свободы.

При использовании в качестве базы второго отверстия возможность вращения тела вокруг своей оси сохраняется. Шестую связь можно создать путем использования уже известных средств - шипа или шпонки. Однако, например, при токарной обработке валов с установкой в центрах для этой цели применяется поводковый патрон (рис.11.18). Патрон не принимает участие в базировании, а только закрепляет заготовку в окружном направлении за счет создания фрикционной связи. В то время как положение заготовки в этом направлении остается неопределенным.