Нормирование точности и технические измерения

3

СТАНДАРТИЗАЦИЯ НОРМ ТОЧНОСТИ И КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ДЕТАЛЕЙ И ИХ СОПРЯЖЕНИЙ

3.1» П ринципы построения систем допусков и посадок

Систематизация, широко применяемая в любой области нау­ ки и техники, в стандартизации является одним из важ ней­ ш их рабочих инструментов. Анализ любых технически слож ­ ных изделий позволяет выявить многократно повторяющиеся типовые сопряжения и образующие их поверхности деталей, которые должны быть стандартизованы . Стандартизованы гео­ метрические параметры подшипников качения, резьбовых по­ верхностей, зубчатых колес, рабочих и контрольных калибров и т.д. Можно говорить о том, что существуют системы стандарт­ ных требований к точности таких объектов. В нормировании требований к точности следует различать системы допусков (допуски формы и располож ения, допуски углов) и системы допусков и посадок (допуски и посадки гладких цилиндриче­ ских, ш лицевых, резьбовых, конических поверхностей).

Системы допусков разрабатывают для несопрягаемых эле­ ментов и для отдельно рассматриваемых поверхностей. Кроме систем допусков углов, допусков формы и располож ения по­ верхностей есть системы «грубых допусков» (для норм точно­ сти, не указанны х непосредственно у размеров) и ряд других. Системы допусков и посадок разрабатывают там, где нуж ны стандартные сопряж ения поверхностей.

Формы и содержание систем допусков, а такж е систем допу­ сков и посадок весьма разнообразны, и потому непосредствен­ ное их сопоставление затруднительно. Правильное использо­ вание норм точности различны х поверхностей и сопряжений подразумевает знание каж дой конкретной системы. Изучение всех систем порознь требует слиш ком 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 сле­ дующие принципы построения:

- принцип предпочтительности;

111

-принцип измерений при нормальных условиях;

-принцип ограничения предельных контуров;

-принцип ф ормализации допусков;

-принцип увязки допусков с эффективными параметрами;

-принцип группирования значений эффективных параме­

тров;

-принцип установления уровней относительной точности.

Принцип предпочтительности - общий принцип стандарти­ зации, поэтому он применяется в любых стандартах и систе­ мах стандартов. В стандартных системах допусков и посадок обычно устанавливаю т ряды посадок с несколькими уровнями предпочтения, например, предпочтительные посадки (первый уровень), рекомендуемые посадки (второй уровень), и, нако­ нец, все стандартные посадки (третий, самый низкий уровень предпочтительности). Примерами использования принципа предпочтительности в системах допусков могут служить уров­ ни предпочтительности полей допусков.

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

Наиболее полно принцип предпочтительности использован

в стандарте, устанавливаю щ ем нормальные линейные разме­ ры (ГОСТ 6636 -69). Этот стандарт не нормирует допуски раз­ меров, но является одним из важ нейш их для униф икации па­ раметров. Унифицированными геометрическими параметрами являю тся те, у которых одинаковы не только поля допусков, но и номинальные значения. Д ля униф икации параметров не­ обходимо при проектировании изделий по возможности на­ значать нормальные линейные размеры деталей (диаметры, толщ ины, глубины уступов и т.д.), выбранные с учетом уров­ ней предпочтительности.

Необходимо учитывать, что требования стандарта не рас­ пространяю тся на технологические межоперационные разме­ ры, на размеры, зависящ ие от других приняты х значений, а такж е на размеры, установленные в стандартах на конкрет­ ные изделия.

Ряды нормальны х линейных размеров (обозначаются бук­ вами Ra с соответствующим числом) построены на базе рядов предпочтительных чисел. Числовые значения нормальных линейных размеров начинаю тся с 0,01 мм и заканчиваю тся

112

значением 20 ООО мм. В дополнение к геометрическим рядам стандарт содержит такж е арифметический ряд размеров в диа­ пазоне от 0,001 до 0,009 мм с разностью в 0,001 мм. Основные ряды нормальных линейных размеров (Ra5 - Ra40) построе­ ны 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) чис­ ло членов, не входящ их в ряд Ra40 и рассчитанных на основе ряда R80.

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

Два следующих принципа (принцип измерений при нор­ мальны х условиях и принцип ограничения предельных кон ­ туров) обеспечивают инвариантность требований, устанавли­ ваемых в системе допусков и посадок (от лат., inv arian tis - неизменяю щ ийся - свойство неизменности по отношению к какому-либо преобразованию, условию, или совокупности преобразований). Под обеспечением инвариант ности элемен­ тов деталей понимают такое построение систем допусков (систем допусков и посадок), которое гарантирует геометри­ ческую взаимозаменяемость (инвариантность) деталей, изго­ товленных по одним и тем же требованиям к номинальным значениям, а такж е к точности геометрических параметров.

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

Принцип измерений при нормальных условиях обеспечи­ вает единообразие информации, получаемой при неоднократ­ ных 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 существен­ ное значение имеет температура контролируемой детали, от которой зависит фактическое значение размера. Понятно, что

113

температурный фактор сказы вается не только на измеряемом объекте, но и на прим еняем ы х средствах измерений.

Менее очевидно влияние таких величин, как относительная влаж ность или давление воздуха, параметры гравитационных и ‘электромагнитны х полей и т.д. С другой стороны, непосред­ ственное влияние электромагнитных полей на электрические средства измерений сомнений не вызывает. Поддается анали­ зу воздействие влаж ности или давления на пневматические приборы или на емкостные электрические преобразователи.

Нормальные условия измерений линейных размеров пред­ полагают колебания влияю щ их величин в пределах областей их нормальны х значений. Под областью нормальных значений влияю щ ей физической величины понимают такую область ее изменений, при которых погрешности, вызванные воздействи­ ем этой величины, могут быть признаны пренебрежимо м алы ­ ми. Кроме нормальны х условий измерений возможно такж е измерение параметров в рабочих условиях - в таких условиях погрешности из-за воздействия влияю щ их величин не превы ­ шают заранее определенных допустимых значений.

для случая измерений линейных размеров ей посвящен спе­

для соблюдения единообразия при реш ении вопроеа о годно­ сти детали по контролируемому параметру.

Ограничение предельных контуров ф актически определяет поля допусков, что необходимо для получения однозначного заклю чения о годности детали по результатам ее измеритель­ ного контроля. Необходимо установить правила разбраковки деталей по результатам измерений размеров элемента в не­ скольких сечениях. Ф ормальным основанием для разбраков­ ки деталей по размерам является истолкование предельных контуров детали. Деталь признается годной в том случае, если ее реальные контуры, установленные по результатам и з­ мерений, не вы ходят за предельные (экстремальные действи­ тельные значения размеров могут быть равны предельным).

В разны х стандартах систем допусков и посадок истолко­ вание предельных значений параметров содержится в явном виде или оформлено-косвенно, через установление полей допу­ сков. Наиболее подробно установление предельных контуров

114

реализовано в стандартах на допуски формы и располож ения поверхностей. В этих стандартах приведены описания полей допусков и методики их построения для каждого рассматри­ ваемого случая, а такж е методики оценки отклонений реаль­ ных элементов от идеальной формы и располож ения.

П р и н ц и п ы , обеспечиваю щ ие ф орм ирование

рядов допусков

Формирование рядов допусков в любой системе осущест­ вляется 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 эффектив­ ных параметров) - возможность создавать из функционально обоснованных допусков ограниченную номенклатуру. Послед­ ний 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, опре­ деленным образом связанного с номинальным контуром кон ­ кретной поверхности. Абстрагирование от конкретных объ­ ектов широко используется в науке и технике. Этот прием применяется и при формализации допусков в системах.

Формализованные значения допусков могут быть постро­ ены в соответствии с рядами предпочтительных чисел, и быть организованы в виде рядов с различными структурами. Н апри­ мер, в системе допусков формы и расположения поверхностей приведены несколько массивов значений допусков, в том числе абстрактный ряд допусков, построенный в порядке возраста­ ния их числовых значений, а такж е 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 на­ значить допуски требуемой точности с учетом масштабного фактора. При выборе допуска размера его значение связываю т с номинальным размером. В отличие от линейных размеров выбор значения допуска угла осущ ествляется в зависимости от длины его короткой стороны, а не в соответствии со значе­

115

нием углового размера. Могут встретиться и более сложные взаимосвязи. Н апример, значения допусков геометрических параметров резьбовых поверхностей увязы вается не только с диаметрами, но и с ш агами резьбы, а для зубчатых колес до­ пуски назначаю т с учетом модуля и делительного диаметра колеса. Те параметры , с которыми увязываю т значения до­ пусков, будем назы вать эфф ективны ми.

У вязка допуска с эффективными параметрами имеет прин­ ципиальное значение, как с конструкторских, так и с тех­ нологических позиций. Конструкторский подход к посадкам

сзазором (натягом) базируется на возможности увеличивать зазор (натяг) и его допустимую неопределенность (допуск по­ садки) с увеличением номинального размера сопряж ения. Технологический подход к возможным значениям допусков основывается на увязы вании допусков с диапазоном практи ­ ческого рассеяния размеров при обработке детали на опреде­ ленном технологическом оборудовании.

Из-за сложности комплексного воздействия на сопряжение, как правило, нельзя выделить один или несколько влияю щ их факторов и «привязать» к ним значение допуска строгой ана­ литической зависимостью . Поэтому эффективные параметры,

скоторыми увязы ваю т значения допуска, должны отражать некоторое обобщенное влияние множества конструкторских и технологических факторов.

Функциональная зависимость допуска от эффективных па­ раметров в общем виде может быть записана следующим об­ разом:

T = F {Q ,V ,...),

где Т - допуск параметра; F - знак функциональной зависи­ мости; Q, V - эффективные параметры .

А нализ систем допусков и посадок показывает, что в боль­ шинстве случаев можно обойтись одним или двумя эффектив­ ными параметрами. Номинальные значения этих параметров представлены в таблицах допусков.

Принцип группирования значений эффективных парамет­ ров используется для сокращ ения номенклатуры допусков в системе.

Если допуск любого параметра рассчитывать строго по при­ нятой функциональной зависимости, то расчетных («теорети­ ческих») допусков будет столько же, сколько и номинальных значений параметров. У нификация допусков и сокращение их

116

общей номенклатуры вполне возможны за счет объединения близких значений и использования вместо них одного стандарт­ ного допуска. Различия между «теоретическими значениями» и выбранным стандартным не должны существенно искаж ать установленный системой допусков и посадок характер связи между значением допуска и эффективными параметрами.

М ноголетняя апробация систем допусков и посадок позво­ лила 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 интерва­ лы. Группирование осуществляется так, чтобы значения допу­ сков на краях интервалов умеренно отличались от «теоретиче­ ских» . Границы интервалов приведены в таблицах стандартов с указаниям и «до» (приведенное номинальное значение вклю ­ чается в данный интервал) и «свыше» (приведенное значение не входит в данный интервал, и он начинается с любого боль­ шего номинального значения).

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

Принцип установления уровней относительной точности

обеспечивает необходимое разнообразие допусков с сохранени­ ем возможности единообразного реш ения (выбор по аналогии) типичных задач функционирования деталей и их изготовле­ ния с учетом масштабных факторов.

Для реш ения различны х конструкторских задач необходи­ мы допуски разной точности. Например, точность направля­ ющих станка или измерительного прибора существенно выше точности дверного засова; подш ипники ш пинделя станка точ­ нее подш ипников 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 точны х» допусков однотипных пара­ метров с разными номинальными значениями.

Уровни относительной точности в различны х стандартных системах допусков и посадок называю тся по-разному. В систе­ ме допусков и посадок гладких цилиндрических поверхностей они называю тся квалитетами, в системах допусков формы и расположения поверхностей, допусков зубчатых колес - сте­

117

пенями точности» Д ля подш ипников качения, допусков разме­ ров несопрягаемых поверхностей и некоторых других случаев используют понятие классов точности. Наименование уровней относительной точности зави си т . от конкретны х объектов и слож ивш ихся традиций.

Установленные стандартами уровни относительной точно­ сти использую тся как второй вход в таблицах допусков. Пер­ вым входом являю тся 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 разработ­ ке технологического процесса. Вне зависимости от конкрет­ ного значения нормируемого параметра можно, опираясь на уровень относительной точности, выбрать допуск и посадку, которые обеспечат удовлетворительное выполнение требу­ емых ф ункций, а по уровню относительной точности парамет­ ра изготавливаемой детали - технологическое оборудование, обеспечивающее удовлетворительное поле практического рас­ сеяния при обработке поверхности.

На использовании уровней относительной точности постро­ ены справочники конструкторов и технологов, а такж е значи­ тельная часть нормативных документов.

3.2.Основные принципы построения системы допусков

ипосадок гладких цилиндрических поверхностей

Основные принципы построения систем допусков и посадок в разны х системах использую тся неодинаково. Рассмотрим реализацию этих принципов в системе допусков и посадок гладких цилиндрических поверхностей, несколько изменив последовательность их анализа относительно принятого в предыдущ ей главе.

Принцип установления уровней относительной точности

реализован введением квалитетов (степеней точности).

К валипгет - совокупность допусков, рассматриваемых как соответствующие одному уровню точности для всех номиналь­ ны х размеров. К валитеты являю тся ступенью градации значе­ ний допусков системы. Стандартом ГОСТ 25346-89 установле­ но 20 квалитетов. Они обозначаются цифрами (или сочетанием

118

цифр) начиная с самого точного 01 до самого грубого 18. Стандартный допуск того или иного квалитета обозначается

сочетанием IT (от Interneishent tolerance - международный до­ пуск) с номером квалитета, например IT 01, IT 6, IT 12 и т.д.

Число квалитета обозначает величину допуска. Чем боль­ ше квалитет, тем при одном и том же номинальном размере больше допуск (IT б < IT 9 < IT 15).

Квалитеты высокой точности (в основном до третьегочетвертого) для образования посадок, как правило, не ис­ пользуются. Допуски этих квалитетов назначаю т на преци­ зионные несопрягаемые элементы деталей, элементы средств измерений (размеры между рабочими гранями концевых мер длины, рабочие размеры калибров и т.д.). Допуски квалите­ тов следующей группы (от 5 до 12) используют для образо­ вания рекомендуемых посадок. Грубые допуски (начиная с 12 квалитета и более) в основном применяю т для назначения требований к точности несопрягаемых размеров.

Принцип предпочтительности в единой системе допусков и посадок реализован установлением основного отклонения р я ­ дов посадок и полей допусков разных уровней предпочтения, а такж е использованием предпочтительных чисел для форми­ рования рядов допусков.

Основные отклонения отверстий обозначают прописными буквами латинского алфавита (А, Б, С, D и т.д.), а валов - строчными (а, Ь, с, d и т.д.). Разные основные отклонения обозначают разными буквами (рис. 3.1, а, б). Обозначения основных отклонений говорят о расположении полей допусков относительно нулевой линии. Одинаковые отклонения обозна­ чаются одними и теми же буквами (рис. 3.1).

Особое значение имеют основные отклонения Н и h, кото­ рые равны нулю (рис. 3.2). Поля допусков с таким и основны­ ми отклонениями расположены от номинала «в тело» детали; их называю т полями допусков основного отверстия и основ­ ного вала.

Допуски (значения допусков, ш ирина полей допусков) обо­ значаются числами соответствующих квалитетов, например, Н 6, Н 7, Н И , Н 12 означают поля допусков шестого, седьмо­ го, одиннадцатого и двенадцатого квалитетов (рис. 3.3).

Основные отклонения, обозначаемые буквами, и допуски, обозначаемые числами квалитетов, - два независимых состав­ ляющ их элемента обозначения (рис. 3.4). У каждого из этих

119

Рис. 3.1. Схемы расположения отклонений отверстий (а) и валов (б) относительно нулевой линии

Рис. 3.2. Поля допусков основных отверстий и основных валов разной относительной точности с основными отклонениями (отверстий Н , валов К)

ПО Н1

Рис. 3.3. Поля допусков с одинаковыми основными отклонениями и разными уровнями относительной точности (разных квалитетов)

120