1.3. Единые принципы построения систем допусков и посадок для типовых соединений деталей машин и других изделий
Согласно ГОСТ 25346 –82 (СТ СЭВ 145 –75), ГОСТ 25347 –82 (СТ СЭВ 144 –75), ГОСТ 25348 –82 (СТ СЭВ 177 –75); в системе ИСО и ЕСДП установлены допуски и посадки для размеров менее 1 мм и до 500 мм, свыше 500 до 3150 мм, а в ЕСДП также для размеров свыше 3150 до 10 000 мм. В ЕСДП поля допусков для размеров менее 1 мм выделены отдельно.
Системой допусков и посадок называют совокупность рядов допусков и посадок, закономерно построенных на основе опыта, теоретических и экспериментальных исследований и оформленных в виде стандартов. Система предназначена для выбора минимально необходимых, но достаточных для практики вариантов допусков и посадок типовых соединений деталей машин, дает возможность стандартизовать режущие инструменты и калибры, облегчает конструирование, производство и достижение взаимозаменяемости изделий и их частей, а также обусловливает повышение их качества.
В настоящее время большинство стран мира применяет системы допусков и посадок ИСО. Системы ИСО созданы для унификации национальных систем допусков и посадок с целью облегчения международных технических связей в металлообрабатывающей промышленности. Включение международных рекомендаций ИСО в национальные стандарты создает условия для обеспечения взаимозаменяемости однотипных деталей, составных частей и изделий, изготовленных в разных странах.
Система допусков и посадок ИСО и ЕСДП для типовых деталей машин построены по единым принципам. Предусмотрены посадки в системе отверстия (СА) и в системе вала (СВ) (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Примеры расположения полей допусков
для посадок в системе отверстия (а) и в системе вала (б)
Посадки в системе отверстия – посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных валов с основным отверстием (рис. 1.3, а), которое обозначают Н.
Посадки в системе вала – посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом (рис. 1.3, б), который обозначают Н.
Для всех посадок в системе отверстия нижнее отклонение отверстия ЕI = 0, т. е. нижняя граница поля допуска основного отверстия, всегда совпадает с нулевой линией. Для всех посадок в системе вала верхнее отклонение основного вала еs = 0, т. е. верхняя граница поля допуска вала всегда совпадает с нулевой линией.
Поле допуска основного отверстия откладывают вверх, поле допуска основного вала – вниз от нулевой линии, т. е. в материал детали.
Для построения систем допусков устанавливают единицу допуска i (I), которая, отражая влияние технологических, конструктивных и метрологических факторов, выражает зависимость допуска от номинального размера, ограничиваемого допуском, и является мерой точности. На основании исследований точности механической обработки цилиндрических деталей из металла для системы ИСО и ЕСДП установлены следующие единицы допуска:
для размеров до 500 мм
i = 0,453√D+0,001D (1.2)
для размеров свыше 500 до 10 000 мм
I = 0,004D + 2,1, (1.3)
где D – среднее геометрическое крайних размеров каждого интервала, мм; i(I) – единица допуска, мкм.
Второй член в уравнении (1.2) учитывает погрешность измерения.
Допуск для любого квалитета
Т = аi, (1.4)
где а – число единиц допуска, зависящее от квалитета и не зависящее от номинального размера.
В каждом изделии детали разного назначения изготовляют с различной точностью. Для нормирования требуемых уровней точности установлены квалитеты (степени точности для резьбовых соединений, зубчатых передач и др.) изготовления деталей и изделий.
Под квалитетом (франц. qualite – качество) понимают совокупность допусков, характеризуемых постоянной относительной точностью (определяемой коэффициентом а) для всех номинальных размеров данного диапазона (например, от 1 до 500 мм). Точность в пределах одного квалитета зависит только от номинального размера. В ЕСДП установлено 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2,..., 17, (самые точные квалитеты 01 и 0 введёны после введения квалитета 1).
Квалитет определяет допуск на изготовление, а следовательно, и соответствующие методы и средства обработки и контроля деталей машин. Формулы (1.2) –(1.4) предназначены для определения допусков квалитетов 5 –17. Число единиц допуска, а для этих квалитетов соответственно равно: 7, 10, 16, 25, 40, 64, 100, 160, 250, 400, 640, 1000 и 1600. Значение, а для квалитетов 6 и грубее образует геометрическую прогрессию со знаменателем φ =1,6. Это значит, что при переходе от одного квалитета к следующему, более грубому, допуски возрастают на 60 %. Через каждые пять квалитетов допуски увеличиваются в 10 раз. В квалитетах точнее 5 допуски 1Т (от сокр. ISO Тоlеrаnсе – допуск ИСО) определяют по формулам: IT01 = 0,3 + 0,008D; IТО = 0,5 + 0.012D; IТ1 = 0,8 + 0.020D; IТ3 = √IТ1·IТ5; IТ2 =√IТ1·IT3; IТ4 =√IT3·IТ5, где допуск – в мкм; D – в мм.
Для размеров менее 1 мм допуски по квалитетам 14 –17 не назначают.
Для каждого квалитета по формуле (1.4) построены ряды допусков, в каждом из которых различные размеры имеют одинаковую относительную точность, определяемую соответствующим значением а.
Для построения рядов допусков каждый из диапазонов размеров, в свою очередь, разделен на несколько интервалов. Для номинальных размеров от 1 до 500 мм установлено 13 интервалов: до 3, свыше 3 до 6, свыше 6 до 10 мм,..., свыше 400 до 500 мм. Для полей, образующих посадки с большими зазорами или натягами, введены дополнительные промежуточные интервалы, что уменьшает колебание зазоров и натягов и делает посадки более определенными. Для всех размеров, объединенных в один интервал, например для размеров свыше 6 до 10 мм, значения допусков приняты одинаковыми.
Допуски и отклонения, устанавливаемые стандартами, относятся к деталям, размеры которых определены при нормальной температуре, которая во всех странах принята равной +20°С.
(ГОСТ 9249 – 59). Такая температура принята как близкая к температуре рабочих помещений машиностроительных и приборостроительных заводов. Градуировку и аттестацию всех линейных и угловых мер и измерительных приборов, а также точные измерения следует выполнять при нормальной температуре, отступления от нее не должны превышать допускаемых значений [ГОСТ 8.050 – 73 (СТ СЭВ 1155 – 78)]. Температура детали и измерительного средства в момент контроля должна быть одинаковой, что может быть достигнуто совместной выдержкой детали и измерительного средства в одинаковых условиях (например, на чугунной плите).
Погрешность измерения может возникнуть также и от местного нагрева. Например, под действием тепла руки контролера в течение 15 мин размер скобы для проверки валов диаметром 175 мм изменяется на 8 мкм, а скобы для проверки валов диаметром 280 мм – на 11 мкм. В связи с этим необходимо применять тепловую изоляцию для средств измерения например, термоизолирующие накладки (и ручки для скоб) или термоизолирующие перчатки для контролеров.
В отдельных случаях погрешность измерения, вызванную отклонением от нормальной температуры и разностью температурных коэффициентов линейного расширения материалов детали и измерительного средства, можно компенсировать введением поправки, равной погрешности, взятой с обратным знаком. Температурную погрешность Δ приближенно определяют по формуле
Δl = l(α1Δt 1- α2Δt2) (1.5)
где l – измеряемый размер, мм; α1 и α2 –температурные коэффициенты линейного расширения материалов детали и измерительного средства, °С-1; Δt1=t1 - 20° С – разность между температурой детали t1 и нормальной температурой; Δt2 = t2 – 20 °С – разность между температурой измерительного средства t2 и нормальной температурой.
Если температура детали и средства измерения одинакова, но не равна 20°С, также неизбежны ошибки вследствие разности температурных коэффициентов линейного расширения детали и измерительного средства. В этом случае (т. е. при Δt1 = Δt2= Δt) погрешность
Δ l ≈ l Δt(α1- α2) (1.6)
Если температура воздуха в цехе, детали и измерительного средства выровнены и равны 20 °С, температурная погрешность измерения отсутствует при любой разности температурных коэффициентов линейного расширения, так как при Δt1= Δt2= 0 Δl = 0.
Формулы (1.5) и (1.6) являются приближенными, так как из-за сложности конфигурации деталей их деформация при изменении температуры не подчиняется линейному закону. Таким образом, для устранения температурных погрешностей необходимо соблюдать нормальный температурный режим в помещениях измерительных лабораторий, инструментальных, механических и сборочных цехов, вводя в них кондиционирование воздуха.
1.4. Принципы выбора допусков и посадок
В настоящее время применяют три метода выбора допусков и посадок.
1. Метод прецедентов (метод аналогов) заключается в том, что конструктор отыскивает в однотипных или других машинах, ранее сконструированных и находящихся в эксплуатации, случаи применения сборочной единицы, подобной проектируемой, и назначает такие же или аналогичные допуск и посадку.
2. Метод подобия по существу является развитием метода прецедентов. Он возник в результате классификации деталей машин по конструктивным и эксплуатационным признакам и выпуска справочников с примерами применения посадок. Для выбора допусков и посадок этим методом устанавливают аналогию конструктивных признаков и условий эксплуатации проектируемой сборочной единицы с признаками, указанными в справочниках. Однако в указанных материалах конструктивные и эксплуатационные показатели классифицируют часто общими выражениями, не отражающими количественных значений параметров, что затрудняет выбор посадок. Общим недостатком методов прецедентов и подобия является сложность определения признаков однотипности и подобия, возможность применения ошибочных допусков и посадок,
3. Расчетный метод является наиболее обоснованным методом выбора допусков и посадок. Выбирая этим методом квалитеты (степени точности), допуски и посадки при проектировании машин и других изделий, стремятся удовлетворить эксплуатационно-конструктивные требования, предъявляемые к детали, сборочной единице и изделию в целом.
Для повышения надежности и точности машины иногда необходимо максимально приблизить размеры детали к расчетным. Такие конструктивные требования ограничены технологическими возможностями, а зачастую и возможностями технических измерений, к тому же они связаны в большинстве случаев с увеличением трудоемкости и стоимости изготовления и контроля деталей. По мере уменьшения допуска увеличивается вероятность появления брака (рис. 1.4, а). Особенно много брака (при прочих равных условиях) возможно при малых допусках. В этом случае (кривая 1) брака может быть настолько много, что обработка деталей данным методом становится неэкономичной и необходимо применить другую технологию изготовления, дающую большую точность (кривая 2), но повышающую себестоимость изделия. Относительная себестоимость С изготовления деталей в этих случаях по мере уменьшения допуска возрастает по гиперболе (рис. 1.4, б).
Итак, изготовление деталей с меньшими допусками связано с повышением себестоимости. Но при этом обеспечиваются высокая точность сопряжений, постоянство их характера в большой партии и более высокие эксплуатационные показатели изделия в целом.
Изготовление деталей по расширенным допускам проще, не требует точного оборудования и отделочных технологических процессов, но снижает точность и, следовательно, долговечность машин.
В связи с этим перед конструкторами, технологами и метрологами всегда стоит задача – рационально, на основе технико-экономических расчетов, разрешить противоречия между эксплуатационными требованиями и технологическими возможностями, исходя в первую очередь из выполнения эксплуатационных требований. Вместе с тем нельзя назначать предельные отклонения и допуски, проверка и соблюдение которых не обеспечена достаточно точными и надежными измерительными средствами.
Рис. 1.4. Зависимости вероятности появления брака (а) и относительной себестоимости (б) от допуска при холодном волочении (А), обтачивании на токарном станке (В), обтачивании и шлифовании (С), обтачивании, шлифовании и притирке (D)
1.5. Основные понятия о стандартизации
Основные термины и определения в области стандартизации установлены Комитетом ИСО по изучению научных принципов стандартизации (СТАКО). Эти определения приняты многими странами, в том числе и СССР.
Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования) и требований безопасности. Стандартизация, основанная на объединенных достижениях науки, техники и передового опыта, определяет основу не только настоящего, но и будущего развития промышленности.
Из определения следует, что стандартизация – это плановая деятельность по установлению обязательных правил, норм и требований, выполнение которых обеспечивает экономически оптимальное качество продукции, повышение производительности общественного труда и эффективности использования материальных ценностей при соблюдении требований безопасности.
Стандарт – нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утвержденный компетентным органом. Стандарт, разработанный на основе достижений науки, техники, передового опыта, должен предусматривать оптимальные для общества решения. Стандарты разрабатывают как на материальные предметы (продукцию, эталоны, образцы веществ и т. п.), так и на нормы, правила, требования к объектам организационно-методического и общетехнического характера. Стандарт – это самое целесообразное решение повторяющейся задачи для достижения определенной цели. Стандарты содержат показатели, которые гарантируют возможность повышения качества продукции и экономичности ее производства, а также повышения уровня ее взаимозаменяемости.
Технические условия (ТУ) – нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс требований к конкретным изделиям, материалу и другой продукции, ее изготовлению и контролю. ТУ разрабатываются в соответствии с ГОСТ 2.115 –70 и утверждаются руководством министерства (или предприятия) на срок, зависящий от нормативных сроков обновления продукции.
Категории стандартов. В зависимости от сферы действия ГСС предусматривает следующие категории стандартов: государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприятий (объединений) (СТП). Государственные стандарты обязательны для всех предприятий, организаций и учреждений страны в пределах сферы их действия. Отраслевые стандарты используют все предприятия и организации данной отрасли (например, станкостроительной, автотракторной и т. д.), а также другие предприятия и организации (независимо от их ведомственной принадлежности), разрабатывающие, изготовляющие и применяющие изделия, которые относятся к номенклатуре, закрепленной за соответствующим министерством. Республиканские стандарты обязательны для всех предприятий и организаций республиканского и местного подчинения Данной союзной республики независимо от их ведомственной принадлежности. Стандарты предприятий (объединений) действуют только на предприятии, утвердившем данный стандарт.
Государственные стандарты устанавливают требования преимущественно к продукции массового и крупносерийного производства широкого и межотраслевого применения, к изделиям, прошедшим государственную аттестацию, экспортным товарам; они устанавливают также общие нормы, термины и т. п. Исходя из этого, можно указать на следующие объекты государственной стандартизации: общетехнические и организационно-методические правила и нормы (ряды нормальных линейных размеров, нормы точности зубчатых передач, допуски и посадки, размеры и допуски резьбы, предпочтительные числа и др.); нормы точности изделий межотраслевого применения; требования к продукции, поставляемой для эксплуатации в различных климатических условиях, методы их контроля; межотраслевые требования и нормы техники безопасности и производственной санитарии; научно-технические термины, определения и обозначения; единицы физических величин; государственные эталоны единиц физических величин и общесоюзные поверочные схемы; методы и средства поверки средств измерений; государственные испытания средств измерений; допускаемые погрешности измерений; системы конструкторской, технологической, эксплуатационной и ремонтной документации; системы классификации и кодирования технико-экономической информации и т. д.
Отраслевые стандарты устанавливают требования к продукции, не относящейся к объектам государственной стандартизации, к технологической оснастке, инструменту, специфическим для отрасли, а также на нормы, правила, термины и обозначения, регламентация которых необходима для обеспечения взаимосвязи в производственно-технической деятельности предприятий и организаций отрасли и для достижения оптимального уровня качества продукции. Объектами отраслевой стандартизации могут быть машины, оборудование, приборы и другие изделия серийного производства, детали и составные части этих изделий; сырье, материалы, топливо, полуфабрикаты, применяемые в отрасли; типовые технологические процессы внутриотраслевого применения и др. ОСТы разрабатывают также для ограничения, например, типоразмеров крепежных деталей, полей допусков и посадок и др.
Стандарты предприятий (объединений) распространяются на нормы, правила, методы, составные части изделий и другие объекты, имеющие применение только на данном предприятии; на нормы в области организации и управления производством; на технологические нормы и требования, типовые технологические процессы, оснастку, инструмент и т. п. Стандарты предприятий могут также устанавливать ограничения по применяемой номенклатуре деталей, составных частей, материалов, предусмотренные государственными, отраслевыми или республиканскими стандартами.
В последние годы стандарты предприятий стали фундаментом комплексной системы управления качеством продукции; они охватывают все сферы деятельности предприятия и позволяют доводить требования государственных стандартов до каждого рабочего места, до каждого исполнителя (см. гл. 4). Стандарты предприятий (объединений) оказывают существенное влияние на все сферы деятельности заводов. Они влияют на развитие унификации технологической и контрольной оснастки, нестандартного оборудования, обеспечивают более рациональное использование сырья, материалов, энергии и т. д. Число стандартов предприятий непрерывно растет; например, в объединении ЗИЛ их насчитывается свыше 5500.
Виды стандартов. В зависимости от объектов и содержания стандарты делят на стандарты: технических условий (общих технических условий); параметров (размеров); типов, марок, сортамента; конструкции; правил приемки, методов испытаний (контроля, анализа, измерений); методов и средств поверки мер и измерительных приборов; правил эксплуатации и ремонта; типовых технологических процессов и др.
В настоящее время установлен новый, более совершенный порядок разработки стандартов всех категорий и видов. Он предусматривает переход от разработки отдельных нормативно-технических документов на конкретную продукцию к созданию в отраслях народного хозяйства взаимосвязанных комплексов стандартов и технических условий, охватывающих продукцию на всех этапах ее жизненного цикла. При этом государственные (ГОСТы) и отраслевые (ОСТы) стандарты должны разрабатываться на группы однородной продукции по результатам научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ с учетом перспектив развития этой продукции; на конкретную продукцию должны разрабатываться технические условия (ТУ) и при необходимости ОСТы фиксирующие результаты разработки и постановки продукции на производство.