книги из ГПНТБ / Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения учебник

В 1954 г. МКМВ создал Консультативный комитет по системе единиц, который разработал единую международную систему единиц (СИ), приемлемую для всех стран, присоединившихся

кМетрической конвенции.

В195(> г. но предложению Советского Союза создана Между­

народная организация законодательной метрологии (МОЗМ). Она ведет работу но следующим основным направлениям: общие во­ просы метрологии; системы единиц измерений; законы и регла­ менты по метрологий; измерения величин длины, площади, объе­ мов, масс, сил, давлений, температур, энергии, магнитных вели­ чин, акустических величин, радиоактивности и др. С того же года функционирует Европейская организация по контролю качества продукции (ЕОКК). Она рассматривает в кругу специалистов различных стран комплекс научно-технических проблем каче­ ства, методы его обеспечения и контроля, а также снижения стоимости продукции и увеличения производительности труда. ЕОКК проводит ежегодные международные конференции по ка­ честву, издает труды и журналы, организует консультации и дискуссии.

Наряду с международными есть региональные организации но стандартизации, включающие ограниченное число стран..

Стандартизация, проводимая в рамках СЭВ. Основой экономи­ ческого сотрудничества стран — членов СЭВ является междуна­ родное социалистическое разделение труда, специализация и ко­ оперирование производства, обеспечивающие значительное повы­ шение производительности и экономичности производства. Ука­ занная задача не может быть выполнена без унификации нацио­ нальных стандартов и проведения работ по стандартизации. Для этого созданы Постоянная комиссия СЭВ по стандартизации (ПКС) и Институт СЭВ по стандартизации, а также Отдел стан­ дартизации Секретариата СЭВ.

Основные направления деятельности органов СЭВ по стандар­ тизации заключаются в установлении и унификации:

рационального ассортимента и сортамента продукции на базе научно обоснованных рядов типоразмеров и характеристик из­ делий;

• главных параметров и характеристик изделий, деталей и со­ ставных частей;

показателей качества сырья, полуфабрикатов и изделий, в том числе их физических и химических свойств и надежности в эксплу­ атации;

технических требований к изготовлению, упаковке, маркировке и хранению продукции;

методов испытаний и приемки сырья, материалов и изделий; унифицированных понятий, определений, терминов, правил

оформления технической документации и обозначений; нормативных показателей, являющихся исходными для разра­

ботки технической документации;

31

нормативной документации, составляемой при поверке и испы­ тании приборов, а также единиц измерений;

стандартных справочных данных материалов и веществ, а также стандартных образцов этих материалов и др.

С 1972 г. кроме рекомендаций выпускаются также стандарты СЭВ. Работа по стандартизации СЭВ проводится по годовым пла­ нам, составляемым на основе перспективного плана, в котором отражены требования развивающейся экономики стран социалисти­ ческого содружества. В своей деятельности органы СЭВ по стан­ дартизации обязательно учитывают рекомендации ISO и других международных организаций.

§ 7. ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ И ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

На современных машиностроительных заводах серийного и массового производства процессы изготовления деталей и их сборки в отдельные узлы и машины осуществляются в разных це­ хах, они независимы один от другого. Кроме того, используются стандартные крепежные детали, подшипники качения, элект­ ротехнические, резиновые, пластмассовые изделия, получаемые по кооперации от других предприятий. Несмотря на это, сборка узлов и машин, удовлетворяющих предъявляемым требованиям, должна производиться без пригонки (доработки) деталей, что возможно лишь тогда, когда они выполняются взаимозаменяе­ мыми.

Взаимозаменяемостью называется свойство независимо изго­ товленных с заданной точностью деталей и узлов изделий обеспе­ чивать возможность беспригоночной сборки (или замены при ре­ монте) сопрягаемых деталей в узел, а узлов в изделия при соблю­ дении предъявляемых к ним технических требований.

Детали и узлы будут взаимозаменяемы только тогда, когда их размеры, форма, физические свойства материала и другие ко­ личественные и качественные характеристики находятся в задан­ ных пределах.

Взаимозаменяемыми могут быть детали, составные части (узлы) и изделия в целом. В первую очередь такими должны быть те детали и узлы, от которых зависят надежность, долговечность и другие эксплуатационные показатели изделий. Это требование, естественно, распространяется и на запасные части.

Значительному росту качества изделий и экономичности их производства способствует развивающееся в последнее время направление функциональной взаимозаменяемости. Это направ­ ление основано на тесной увязке эксплуатационных показа­ телей изделий с определяющими их функциональными пара­ метрами.

Функциональными являются геометрические, электрические, механические и другие параметры, влияющие на эксплуатацион-

32

ные показатели изделий или служебные функции их деталей и составных частей (узлов). Например, от величины зазора между поршнем и цилиндром (функционального параметра) зависит мощ­ ность двигателей (эксплуатационный показатель), а в поршневых компрессорах — весовая и объемная производительность. Эти параметры названы функциональными, чтобы подчеркнуть их связь со служебными функциями деталей, узлов (блоков) и изде­ лий. Связь же их с эксплуатационными показателями может быть функциональной или стохастической (вероятностной).

Достигается функциональная взаимозаменяемость при помощи соответствующих методов расчета точности машин и выполнения ее при изготовлении деталей. Она обеспечивает необходимый запас работоспособности машины и ее экономически оптимальные и ста­ бильные (в заданных пределах) во времени эксплуатационные по­ казатели.

Для того чтобы добиться наибольшей эффективности функцио­ нальной взаимозаменяемости, необходимо при конструировании, производстве и эксплуатации машин и других изделий учитывать следующий комплекс научно-технических исходных положений, объединяемых понятием «принцип функциональной взаимозаменя­ емости».

А. Исходные положения, используемые при конструировании изделий.

1.Эксплуатационные показатели машин определяются уровнем

истабильностью характеристик рабочего процесса; размерами, формой и другими геометрическими параметрами деталей и состав­ ных частей (узлов) изделий; уровнем механических, физических

ихимических свойств материалов, из которых изготовлены де­ тали, и другими факторами. Неизбежные погрешности и колебания свойств материалов вызывают изменение значений параметров

рабочего процесса и эксплуатационных показателей машин. По­ этому для ответственных деталей и составных частей (узлов) вза­ имозаменяемость необходимо соблюдать не только по размерам, форме и другим геометрическим параметрам, показателям механи­ ческих свойств материала (особенно поверхностного слоя деталей), но и (в зависимости от принципа действия узла или машины) по электрическим, гидравлическим, оптическим, химическим и дру­ гим функциональным параметрам.

2.Очень важно обеспечивать однородность исходного сырья, материалов, заготовок и полуфабрикатов по химическому составу, равный уровень и стабильность механических, физических и хи­ мических свойств, а также точность и стабильность размеров и форм. Для заготовок, кроме того, необходимо выдерживать равен­ ство размеров межоперационных посадочных поверхностей, пред­ назначенных для фиксации положения заготовок в приспособле­ ниях в процессе обработки.

3.Возможность обеспечения функциональной* взаимозаменя­ емости создается на стадии проектирования изделий. Для этого

в первую очередь необходимо уточишь номинальные значения их эксплуатационных показателей, определить исходя из назначе­ ния, требований к надежности, долговечности и безопасности допу­ стимые отклонения эксплуатационных показателен изделий, кото­ рые они будут иметь в конце установленного срока работы (раз­ ность между этими показателями у новых изделий и в конце срока эксплуатации составляет их допуск). Эти значения находят в результате прочностного, теплового, газо- и гидродинамического, акустического и других расчетов, учитывающих износ и изменение функциональных параметров в процессе длительной работы изде­ лий. Есть и другой путь определения таких показателей — обоб­ щение опыта эксплуатации и проведение экспериментальных испы­ таний моделей, макетов или образцов.

Далее необходимо установить основные составные конструк­ тивные элементы машины, от которых в первую очередь зависят ее эксплуатационные показатели; составить перечень деталей и узлов, определяющих надежность и долговечность изделия в целом. Затем для данной категории деталей и узлов изделия выбирают такие конструктивные формы, материалы, технологию изготовле­ ния и устанавливают такое качество поверхности, которые обеспе­ чат максимальный срок их службы, точность и другие характери­ стики.

После этого выявляют функциональные параметры, от которых главным образом зависят значения и допустимый диапазон откло­ нений эксплуатационных показателей машины. Перечень этих параметров определяется принципом действия, назначением и конструктивными особенностями изделий. Теоретически или экспе­ риментально на макетах, моделях или опытных образцах следует установить возможные изменения функциональных параметров во времени (в результате износа, пластической деформации, термо­ циклических воздействий, изменения структуры и старения ма­ териала, коррозии, старения электронных ламп и т. д.), найти связь и степень влияния этих параметров и их отклонений на эк­ сплуатационные показатели нового изделия и в процессе его дли­ тельной эксплуатации.

Зная эти связи и допуски на эксплуатационные показатели изделий, можно определить допускаемые отклонения функцио­ нальных параметров и рассчитать посадки для ответственных сое­ динений. Применяют и другой метод: используя установленные связи, устанавливают отклонения эксплуатационных показателей при выбранных допусках функциональных параметров.

При расчете точности функциональных параметров необхо­ димо создавать гарантированный запас работоспособности из­ делий, который обеспечит сохранение эксплуатационных пока­ зателей к концу срока их эксплуатации в заданных пределах

(см. гл. II).

Необходимо также проводить оптимизацию допусков, устанав­ ливая меньшие допуски для тех функциональных параметров,

34 ,

погрешности которых наиболее сильно влияют на эксплуатацион­ ные показатели изделий.

Установление связей эксплуатационных показателей с функ­ циональными параметрами и независимое изготовление деталей и составных частей (узлов) по этим параметрам с точностью, опре­ деленной исходя из допустимых отклонений эксплуатационных показателей изделии в конце срока их службы, — одно из глав­ ных условий обеспечения функциональной взаимозаменяемости.

Простым примером расчета допустимой погрешности, исходя из эксплуатационных требований, является определение допусти­ мого отклонения угла конуса 2ос в неподвижных конических сое­ динениях. Основное эксплуатационное требование для них состоит

Ряс. 3. Зависимость мо­ мента трения Мгр от по­ грешностей углов конусов

внеподвижных конических соединениях

втом, чтобы соединение обладало возможно большим моментом

трения М тр *.

При заданных диаметрах и длине соединяемых конусных дета- --лей, осевой силе и постоянном натяге величина М тр зависит от точности совпадения углов наружного и внутреннего конусов и

величин отклонений их от правильной формы.

Установлено **, что Л/хр уменьшается в среднем на 4% на каждую угловую минуту отрицательной и на 2% положительной разности (погрешности) между углами конуса вала и втулки А (2а) в пределах первых 10' (рис. 3), т. е. при разности углов на­ ружного и внутреннего конусов, равной +10', передаваемый мо­ мент трения на 20% больше, чем при разности углов —10'. Это объясняется тем, что при касании конусов по большому диаметру погрешности их углов легче компенсируются за счет увеличения зоны контакта. При таком контакте радиальное биение конусов меньше, чем при контакте по меньшему диаметру. Зная указанную зависимость, конструктор может обоснованно устанавливать точ­ ность изготовления конусов деталей машин и инструментов исходя из служебного назначения конусных соединений.

* В некоторых случаях (конусы шпинделей точных станков, разверток, хвостовых долбяков и др.) необходимо учитывать также требования к точ­ ности центрирования осей соединяемых деталей.

** Kahiza. Untersuchungeii an Kegeligeii prcBpassungen, Werkstattslechnik, 1960, том 50, № 11.

Вывод уравнений для определения погрешности эксплуатацион­ ного показателя в зависимости от погрешностей функциона.ушых параметров и более сложные примеры расчета допустимых по­ грешностей функциональных параметров исходя из допустимых отклонений эксплуатационных показателей изделий даны в гл. VJ1

иXIII.

4.При конструировании изделий необходимо шире применять

общетехническне нормы, унифицированные и стандартизованные детали, узлы и агрегаты, а также руководствоваться принципами предпочтительности и агрегатирования, так как в современных условиях без этого невозможно соблюдение взаимозаменяемости

дует выбирать эти параметры такими, при которых их эксплуата­ ционные качества будут оптимальными.

6. При конструировании необходимо учитывать требования технологичности и предусматривать возможность выбора для проверки точностных параметров изделия такой схемы измерения, которая не вносила бы. дополнительных погрешностей и позволяла применять простые и надежные универсальные или существующие специальные измерительные средства.

Таким образом, разработка чертежей и технических условий с указанием требуемой точности размеров и других параметров детали и составных частей (узлов) изделий, обеспечивающей их высокое качество, является первой составной частью принципа взаимозаменяемости, выполняемой в процессе конструирования изделий.

Для лучшей увязки конструктивных, технологических и метрологических требований и обеспечения возможности примене­ ния прогрессивной технологии изготовления деталей, сборки узлов и машин в разработке чертежей и технических условий обычно ynacTByiof технологи и метрологи.

Рабочий чертеж, в котором указаны точностные требования, является исходным и директивным документом, по которому про­ ектируют и контролируют технологические процессы, а также проверяют точность готовой продукции.

Б. Исходные положения, используемые при производстве из­ делий.

1. Вследствие неточности технологического оборудования, по грешностей и износа инструмента и приспособлений, силовой и температурной деформаций системы станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД), неоднородности физико-механиче­ ских свойств материала и остаточных напряжений в деталях, не­ постоянства их электрических и магнитных свойств, а также из-за ошибок рабочего и других причин действительные значения геомет­ рических, механических и других параметров деталей и изделий могут отличаться от расчетных. Точностью изготовления называ­

36

ется степень приближения действительных значений геометриче­ ских и других параметров деталей и изделий к их заданным зна­ чениям, указанным в чертежах или технических условиях.

Необходимо различать нормированную точность деталей, узлов и изделий, т. е. совокупность допускаемых отклонений от расчет­ ных значений геометрических и других параметров, и действитель­ ную точность, т. о. совокупность действительных отклонений, определенных в результате измерения (с допустимой погреш­ ностью). Степень соответствия действительной точности нормиро­ ванной зависит от качества материала и заготовок, технологич­ ности конструкции изделий, точности их изготовления и сборки, а также от ряда других факторов. Достичь заданной точности — значит изготовить детали и собрать механизм так, чтобы погреш­ ности геометрических, электрических и других параметров на­ ходились в установленных пределах.

Для обеспечения взаимозаменяемости необходимо, чтобы из­ готовление деталей и сборка узлов (блоков) производились с нор­ мированной точностью указанных параметров.

2.Большое значение для осуществления взаимозаменяемости

идостижения высокого качества изделий имеют точность оборудо­ вания, инструмента и технологической оснастки, а также методы их профилактического контроля. Точность оборудования и осна­ стки должна быть несколько выше требуемой точности изготовляе­ мых деталей и узлов, т. е. иметь запас точности. Поэтому очень важно всемерно повышать точность металлорежущих станков и технологической оснастки, особенно предназначенных для отде­ лочных операций и, обработки точных деталей, так как во многих случаях допускаемая погрешность обработки ограничивается несколькими микрометрами, а иногда и десятыми долями микро­ метров.

3.Для ответственных деталей необходимо создавать оптималь­ ное качество поверхности (шероховатость, наклеп, остаточные напряжения, текстуру материала). Подробно эти вопросы рас­ сматриваются в гл. VI и ХШ .

4.Чтобы повысить надежность измерений, обеспечить взаимо­ заменяемость и высокое качество машин, необходимо учитывать преемственность, существующую между тремя процессами: изго­ товлением, ее контролем и эксплуатацией. Деталь является сначала объектом обработки, затем объектом измерения и, наконец, эле­ ментом механизма. При этом погрешности обработки и измерения могут увеличивать погрешность механизма. Такое изменение наз­ начения детали называется принципом инверсии. Согласно этому принципу, чтобы уменьшить погрешности измерения и выявить их суммарное значение, которое будет проявляться в работающем механизме, проверять детали необходимо в условиях, тождествен­ ных или близких к эксплуатационным. Для этого технологические

иизмерительные базы должны совпадать с эксплуатационными, т. е. нужно соблюдать принцип единства баз. Кроме того, схема

37

измерения должна соответствовать схеме рабочих движений де­ тали в механизме. Примером такой схемы может служить одно­ профильный контроль зубчатых колес.

При контроле точности обработки процесс измерения необхо­ димо строить так, чтобы траектория движения измерительного на­ конечника соответствовала траектории движения инструмента при формообразовании детали. В этом отношении активный конт­ роль в процессе обработки полностью отвечает принципу инверсии, так как деталь координируется от тех же технологических баз н измеряется при том же движении.

5. Обязателен контроль выполнения точностных требований к размерам и другим параметрам.

Необходимо оценивать точность и совершенствовать сущест-. вующие методы и средства измерений и создавать новые более точцые, надежные и производительные методы и средства измере­ ния геометрических и других параметров, а также создавать сред­ ства для испытания изделий на надежность, долговечность и про­ верки их специфических эксплуатационных показателей. По­ грешность измерения должна составлять как можно ■меньшую часть допуска на изготовление с тем, чтобы обеспечивалось соблю­ дение установленных пределов допустимой погрешности принятых ОТК деталей и узлов (блоков) (см. гл. V). Технические измерения должны быть органически связаны с технологическим процессом и направлены главным образом на профилактику брака, что достигается путем управления точностью процессов изготовления.

Для соблюдения взаимозаменяемости необходимо обеспечить точностную надежность средств измерения и единство измерений

(см. гл. III).

Таким образом, выполнение требований к точности размеров, показателям качества поверхности деталей и другим параметрам является обязательным условием достижения взаимозаменяемости. Для этого необходимо наличие соответствующих по точности обо­ рудования, приспособлений, инструмента и средств контроля, а также определенная квалификация рабочих, выполняющих про­ изводственные и контрольные операции.

В. Запасные части и контроль изделий в процессе эксплуата­ ции.

Важной составной частью осуществления принципа взаимо­ заменяемости, обеспечивающего долговечную и экономичную работу изделий, является определение необходимого комплекта запасных частей (деталей и узлов), которые обеспечивали бы бы­ струю замену в процессе эксплуатации износившихся или поло­ манных деталей или узлов, сохраняя требуемую работоспособ­ ность машины в течение длительного времени. Для этого должен быть проведен анализ и выявлены «слабые места» изделия, т. е. найдены детали и узлы, в наибольшей мере подверженные износу и ухудшению качества, сказывающиеся на эксплуатационных пока­ зателях. Естественно, что в процессе эксплуатации нужно тща­

38

тельно контролировать работу машины и особое внимание уделять наиболее «слабым» элементам.

Ремонт износившихся частей (узлов и агрегатов) машин и других изделий должен производиться на специальных ремонтных заводах путем их замены годными частями.

Для практического осуществления принципа функциональной взаимозаменяемости изделий необходима четкая система конструк­ торской, технологической, метрологической и эксплуатационной документации.

§ 8. ВИДЫ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ

Взаимозаменяемость может быть полной и неполной (ограни­ ченной).

Полная взаимозаменяемость обеспечивается при , выполнении геометрических, электрических и других параметров деталей с точностью, позволяющей производить сборку (или замену при ремонте) любых сопрягаемых деталей и составных частей (узлов) без какой бы то ни было дополнительной их обработки, подбора или регулирования и получать изделия требуемого качества. В этом случае точность сборки всех экземпляров одноименных со­ единений или узлов (блоков) будет находиться в допускаемых пределах.

Полная взаимозаменяемость обладает следующими достоин­ ствами:

упрощается процесс сборки, он сводится к простому соедине­ нию деталей рабочими невысокой квалификации;

сборочный процесс точно нормируется во времени, легко укла­ дывается в устанавливаемый темп работы и может быть организо­ ван поточным методом; создаются условия для автоматизации процессов изготовления и сборки изделий;

возможны широкая специализация и кооперирование заводов (т. е. изготовление заводом-поставщиком ограниченной номен­ клатуры унифицированных изделий, узлов и деталей и поставка их заводу, выпускающему основные изделия);

упрощается ремонт изделий, так как любая износившаяся или поломанная деталь или узел могут быть заменены новыми (запасными).

Полную взаимозаменяемость экономически целесообразно при­ менять для деталей с точностью не выше 1-го класса и для состав­ ных частей изделий, состоящих из небольшого количества деталей, например из двух, образующих то или иное соединение, а также в тех случаях, когда несоблюдение заданных зазоров или натягов недопустимо даже у части изделий. Функциональная взаимоза­ меняемость, как взаимозаменяемость по эксплуатационным пока­ зателям изделий, может быть только полной.

В ряде случаев эксплуатационные требования приводят к не­ обходимости изготовлять детали с малыми экономически неприем-

39