3. Стандартизация норм точности и контроль

ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ И ИХ

СОПРЯЖЕНИЙ

3.1. Принципы построения систем допусков и посадок

Систематизация, широко применяемая в любой области науки и техники, в стандартизации является одним из важнейших рабочих инструментов. Анализ любых технически сложных изделий позволяет выявить многократно повторяющиеся типовые сопряжения и образующие их поверхности деталей, которые должны быть стандартизованы. Стандартизованы геометрические параметры подшипников качения, резьбовых поверхностей, зубчатых колес, рабочих и контрольных калибров и т.д. Можно говорить о том, что существуют системы стандартных требований к точности таких объектов. В нормировании требований к точности следует различать системы допусков (допуски формы и расположения, допуски углов) и системы допусков и посадок (допуски и посадки гладких цилиндрических, шлицевых, резьбовых, конических поверхностей).

Системы допусков разрабатывают для несопрягаемых элементов и для отдельно рассматриваемых поверхностей. Кроме систем допусков углов, допусков формы и расположения поверхностей, есть системы «грубых допусков» (для норм точности, не указанных непосредственно у размеров) и ряд других. Системы допусков и посадок разрабатывают там, где нужны стандартные сопряжения поверхностей.

Формы и содержание систем допусков, а также систем допусков и посадок весьма разнообразны и потому непосредственное их сопоставление затруднительно. Правильное использование норм точности различных поверхностей и сопряжений подразумевает знание каждой конкретной системы. Изучение всех систем порознь требует слишком большого времени из-за огромного количества фактического материала.

Анализ систем допусков и посадок подтверждает, что они построены единообразно, на некоторых общих принципах. В любых системах допусков и посадок можно обнаружить следующие принципы построения:

• принцип предпочтительности;

• принцип измерений при нормальных условиях;

• принцип ограничения предельных контуров;

• принцип формализации допусков;

• принцип увязки допусков с эффективными параметрами;

• принцип группирования значений эффективных параметров;

• принцип установления уровней относительной точности.

Принцип предпочтительности – общий принцип стандартизации, поэтому он применяться в любых стандартах и системах стандартов. В стандартных системах допусков и посадок обычно устанавливают ряды посадок с несколькими уровнями предпочтения, например, предпочтительные посадки (первый уровень), рекомендуемые посадки (второй уровень), и, наконец, все стандартные посадки (третий, самый низкий уровень предпочтительности). Примерами использования принципа предпочтительности в системах допусков могут служить уровни предпочтительности полей допусков.

В системах стандартов допусков и посадок ряды допусков обычно строятся с использованием рядов предпочтительных чисел. Возможны и другие проявления количественной стороны принципа.

Наиболее полно принцип предпочтительности использован в стандарте, устанавливающем нормальные линейные размеры (ГОСТ 6636-69). Этот стандарт не нормирует допуски размеров, но является одним из важнейших для унификации параметров. Унифицированными геометрическими параметрами являются те, у которых одинаковы не только поля допусков, но и номинальные значения. Для унификации параметров необходимо при проектировании изделий по возможности назначать нормальные линейные размеры деталей (диаметры, толщины, глубины уступов и т.д.), выбранные с учетом уровней предпочтительности.

Необходимо учитывать, что требования стандарта не распространяются на технологические межоперационные размеры, на размеры, зависящие от других принятых значений, а также на размеры, установленные в стандартах на конкретные изделия.

Ряды нормальных линейных размеров (обозначаются буквами Rа с соответствующим числом) построены на базе рядов предпочтительных чисел. Числовые значения нормальных линейных размеров начинаются с 0,01 мм и заканчиваются значением 20 000 мм. В дополнение к геометрическим рядам стандарт содержит также арифметический ряд размеров в диапазоне от 0,001 мм до 0,009 мм с разностью в 0,001 мм. Основные ряды нормальных линейных размеров (Rа5 – Rа40) построены в соответствии с рядами предпочтительных чисел R5 – R40 как геометрические прогрессии, но в ограниченном диапазоне (размеры до 20 000 мм) и содержат округленные значения. В дополнительный ряд включено ограниченное (неполное) число членов, не входящих в ряд Rа40 и рассчитанных на основе ряда R80.

Принципиальные отличия рядов нормальных линейных размеров от рядов предпочтительных чисел заключаются в том, что ряды Ra размеров конечны и содержат некоторые округленные по сравнению с рядами R значения, причем в стандарт включены все значения размеров в указанном диапазоне.

Два следующих принципа (принцип измерений при нормальных условиях и принцип ограничения предельных контуров) обеспечивают инвариантность требований, устанавливаемых в системе допусков и посадок (от латинского invariantis – неизменяющийся – свойство неизменности по отношению к какому-либо преобразованию, условию, или совокупности преобразований). Под обеспечением инвариантности элементов деталей понимают такое построение систем допусков (систем допусков и посадок), которое гарантирует геометрическую взаимозаменяемость (инвариантность) деталей, изготовленных по одним и тем же требованиям к номинальным значениям, а также к точности геометрических параметров.

Чтобы система обеспечивала инвариантность деталей, должны соблюдаться заложенные в ней условия годности деталей: единообразие трактовки годности и достоверность результатов контроля. Только при соблюдении этих условий результаты измерений можно сопоставить с моделью годной детали, которая задана чертежом, и дать объективное заключение о годности.

Принцип измерений при нормальных условиях обеспечивает единообразие информации, получаемой при неоднократных независимых измерениях одних и тех же параметров. Измерения в нормальных условиях означают, что измерения проводят при нормальных значениях влияющих физических величин. Например, при измерении длины всегда существенное значение имеет температура контролируемой детали, от которой зависит фактическое значение размера. Понятно, что температурный фактор сказывается не только на измеряемом объекте, но и на применяемых средствах измерений.

Менее очевидно влияние таких величин, как относительная влажность или давление воздуха, параметры гравитационных и электромагнитных полей и т.д. С другой стороны, непосредственное влияние электромагнитных полей на электрические средства измерений сомнений не вызывает. Поддается анализу воздействие влажности или давления на пневматические приборы или на емкостные электрические преобразователи.

Нормальные условия измерений линейных размеров предполагают колебания влияющих величин в пределах областей их нормальных значений. Под областью нормальных значений влияющей физической величины понимают такую область ее изменений, при которых погрешности, вызванные воздействием этой величины, могут быть признаны пренебрежимо малыми. Кроме нормальных условий измерений возможно также измерение параметров в рабочих условиях – в таких условиях погрешности из-за воздействия влияющих величин не превышают заранее определенных допустимых значений.

Проблема установления номенклатуры влияющих величин и областей их нормальных значений настолько сложна, что для случая измерений линейных размеров ей посвящен специальный стандарт (ГОСТ 8.050-73).

Принцип ограничения предельных контуров необходим для соблюдения единообразия при решении вопроса о годности детали по контролируемому параметру.

Ограничение предельных контуров фактически определяет поля допусков, что необходимо для получения однозначного заключения о годности детали по результатам ее измерительного контроля. Необходимо установить правила разбраковки деталей по результатам измерений размеров элемента в нескольких сечениях. Формальным основанием для разбраковки деталей по размерам является истолкование предельных контуров детали. Деталь признается годной в том случае, если ее реальные контуры, установленные по результатам измерений, не выходят за предельные (экстремальные действительные значения размеров могут быть равны предельным).

В разных стандартах систем допусков и посадок истолкование предельных значений параметров содержится в явном виде или оформлено косвенно, через установление полей допусков. Наиболее подробно установление предельных контуров реализовано в стандартах на допуски формы и расположения поверхностей. В этих стандартах приведены описания полей допусков и методики их построения для каждого рассматриваемого случая, а также методики оценки отклонений реальных элементов от идеальной формы и расположения.

Принципы, обеспечивающие формирование рядов допусков

Формирование рядов допусков в любой системе осуществляется на базе четырех остальных принципов. Один из них (принцип формализации допусков) обеспечивает «отделение» допусков от конкретных деталей (их параметров, элементов), два следующих (принцип увязки допусков с эффективными параметрами и принцип группирования значений эффективных параметров) – возможность создавать из функционально обоснованных допусков ограниченную номенклатуру. Последний принцип (принцип установления уровней относительной точности) направлен на обеспечение в системе необходимого разнообразия точностных требований.

Принцип формализации допусков позволяет «отделить» меру допустимого рассеяния (допуск) от поля допуска, определенным образом связанного с номинальным контуром конкретной поверхности. Абстрагирование от конкретных объектов широко используется в науке и технике. Этот прием применяется и при формализации допусков в системах.

Формализованные значения допусков могут быть построены в соответствии с рядами предпочтительных чисел, и быть организованы в виде рядов с различными структурами. Например, в системе допусков формы и расположения поверхностей приведены несколько массивов значений допусков, в том числе абстрактный ряд допусков, построенный в порядке возрастания их числовых значений, а также допуски, связанные со значениями номинальных параметров и уровнями точности.

Принцип увязки допусков с эффективными параметрами предназначен для расчета «теоретических значений» допусков. Чтобы обеспечить нормальную работу изделия необходимо назначить допуски требуемой точности с учетом масштабного фактора. При выборе допуска размера его значение связывают с номинальным размером. В отличие от линейных размеров выбор значения допуска угла осуществляется в зависимости от длины его короткой стороны, а не в соответствии со значением углового размера. Могут встретиться и более сложные взаимосвязи. Например, значения допусков геометрических параметров резьбовых поверхностей увязывается не только с диаметрами, но и с шагами резьбы, а для зубчатых колес допуски назначают с учетом модуля и делительного диаметра колеса. Те параметры, с которыми увязывают значения допусков, будем называть эффективными.

Увязка допуска с эффективными параметрами имеет принципиальное значение, как с конструкторских, так и с технологических позиций. Конструкторский подход к посадкам с зазором (натягом) базируется на возможности увеличивать зазор (натяг) и его допустимую неопределенность (допуск посадки) с увеличением номинального размера сопряжения. Технологический подход к возможным значениям допусков основывается на увязывании допусков с диапазоном практического рассеяния размеров при обработке детали на определенном технологическом оборудовании.

Из-за сложности комплексного воздействия на сопряжение, как правило, нельзя выделить один или несколько влияющих факторов и «привязать» к ним значение допуска строгой аналитической зависимостью. Поэтому эффективные параметры, с которыми увязывают значения допуска, должны отражать некоторое обобщенное влияние множества конструкторских и технологических факторов.

Функциональная зависимость допуска от эффективных параметров в общем виде может быть записана следующим образом:

Т = F(Q,V,...),

где Т – допуск параметра,

F – знак функциональной зависимости,

Q, V – эффективные параметры.

Анализ систем допусков и посадок показывает, что в большинстве случаев можно обойтись одним или двумя эффективными параметрами. Номинальные значения этих параметров представлены в таблицах допусков.

Принцип группирования значений эффективных параметров используется для сокращения номенклатуры допусков в системе.

Если допуск любого параметра рассчитывать строго по принятой функциональной зависимости, то расчетных («теоретических») допусков будет столько же, сколько и номинальных значений параметров. Унификация допусков и сокращение их общей номенклатуры вполне возможны за счет объединения близких значений и использования вместо них одного стандартного допуска. Различия между «теоретическими значениями» и выбранным стандартным не должны существенно искажать установленный системой допусков и посадок характер связи между значением допуска и эффективными параметрами.

Многолетняя апробация систем допусков и посадок позволила практически решить вопрос об интервалах эффективных параметров и их «представителях». В любой системе допусков или допусков и посадок ряды допусков образованы с учетом эффективных параметров, которые сгруппированы в интервалы. Группирование осуществляется так, чтобы значения допусков на краях интервалов умеренно отличались от «теоретических». Границы интервалов приведены в таблицах стандартов с указаниями «до» (приведенное номинальное значение включается в данный интервал) и «свыше» (приведенное значение не входит в данный интервал, и он начинается с любого большего номинального значения).

Интервалы эффективных параметров являются одним из «входов» в таблицу рядов допусков любого стандарта.

Принцип установления уровней относительной точности обеспечивает необходимое разнообразие допусков с сохранением возможности единообразного решения (выбор по аналогии) типичных задач функционирования деталей и их изготовления с учетом масштабных факторов.

Для решения различных конструкторских задач необходимы допуски разной точности. Например, точность направляющих станка или измерительного прибора существенно выше точности дверного засова; подшипники шпинделя станка точнее подшипников коробки скоростей и т.д.

Понятие точности геометрических параметров не может рассматриваться как абсолютное. Известна связь допуска со значениями эффективных параметров. Следовательно, можно говорить об установлении в любой системе допусков и посадок уровней относительной точности, которые используются для назначения «одинаково точных» допусков однотипных параметров с разными номинальными значениями.

Уровни относительной точности в различных стандартных системах допусков и посадок называются по-разному. В системе допусков и посадок гладких цилиндрических поверхностей они называются квалитетами, в системах допусков формы и расположения поверхностей, допусков зубчатых колес – степенями точности. Для подшипников качения, допусков размеров несопрягаемых поверхностей и некоторых других случаев используют понятие классов точности. Наименование уровней относительной точности зависит от конкретных объектов и сложившихся традиций.

Установленные стандартами уровни относительной точности используются как второй вход в таблицах допусков. Первым входом являются интервалы эффективных параметров, а значение допуска отыскивают на пересечении двух входов в таблицу по принципу «строка-столбец».

Уровни относительной точности играют весьма важную роль в использовании аналогии для выбора норм точности при проектировании или выбора оборудования при разработке технологического процесса. Вне зависимости от конкретного значения нормируемого параметра можно, опираясь на уровень относительной точности, выбрать допуск (посадку) которые обеспечат удовлетворительное выполнение требуемых функций, а по уровню относительной точности параметра изготавливаемой детали – технологическое оборудование, обеспечивающее удовлетворительное поле практического рассеяния при обработке поверхности.

На использовании уровней относительной точности построены справочники конструкторов и технологов, а также значительная часть нормативных документов.