Нормирование точности и технические измерения

екта стандартизации (изделие, техпроцесс, набор условных обозначений) как системы определенного уровня сложности. Если объект стандартизации сравнительно прост, можно огра­ ничиться разработкой одного документа. Сложные объекты стандартизации могут представлять собой системы, вклю ча­ ющие в себя не только элементы, но и другие системы более низкого порядка (подсистемы). В подобных случаях на объект разрабатывают систему стандартов.

П ринцип комплексности ( комплексного охват а)

Комплексный охват объектов стандартизации подразуме­ вает установление и применение согласованных норм и тре­ бований к взаимосвязанным в процессе производства и (или) эксплуатации объектам. При этом конкретные объекты стан­ дартизации могут входить в разные системы, а их взаимо­ действие может не планироваться заранее, как, например, использование лазеров в измерениях, компьютеров для под­ готовки конструкторской документации и т.д.

Важной задачей комплексной стандартизации является ограничение числа входящ их в комплекс элементов и их свя­ зей, поскольку возможно бесконечное расширение любого ком ­ плекса. Оптимальное ограничение комплекса объектов стан­ дартизации позволяет достичь значительного экономического эффекта за счет сокращ ения времени и труда на их разработку и более скорого внедрения стандартов со взаимоувязанными требованиями.

Еще одна задача комплексной стандартизации состоит в обеспечении преемственности вновь назначаемых норм со ста­ рыми и в увязы вании разрабатываемых документов по стан­ дартизации с действую щ ими.

Когда разрабатывается новый комплекс требований, его со­ гласуют не только с действующими НД, но и с требования­ ми международных и наиболее прогрессивных национальных документов других стран. При этом необходимо учитывать также и современное состояние национальной техники и тех­ нологии, ее готовность к обеспечению ужесточаю щ ихся тре­ бований.

1.3. Основы взаимозаменяемости

Для получения стандартных изделий заданного качества приходится создавать разветвленную нормативную базу. Стан­

21

дартизация является нормативной базой взаимозаменяемости сеиийно вы пускаемых изделий и многократно воспроизводи­ мых процессов (рис. 1.4). При изготовлении взаимозаменя­ емых изделий следует не допускать таких различий, которые вы ходят за оговоренные нормы.

Рис. 1.4. Роль стандартизации в изготовлении изделий серийного и массового производства

Обеспечение взаимозаменяемости рассматривается на эта­ пах изготовления изделий и их ремонта. Чем более подробно и жестко нормированы параметры изделий, тем проще реа­ лизуется замена, но тем сложнее технологически обеспечить взаим озаменяемость.

Взаимозаменяемость изделий и их составных частей (узлов, деталей, элементов), а такж е взаимозаменяемость технологи­ ческих процессов, операций и их элементов следует рассма­ тривать как единственную возможность реализации эконо­ мичного серийного и массового производства с обеспечением заданного уровня качества. Одинаковый (колеблющ ийся в пределах пренебрежимых для потребителя различий) уровень качества конечны х продуктов (изделий, услуг) конкретного производства обеспечивается выполнением правильно опреде­ ленного набора требований.

22

Необходимый результат нормирования параметров серийно воспроизводимых изделий или процессов - обеспечение взаи ­ мозаменяемости однотипных объектов в любой изготавливае­ мой партии или совокупности воспроизводимых технологиче­ ских процессов»

Виды взаимозаменяемости

Взаимозаменяемость изделий - сложное свойство. Р азлича­ ют параметрическую и функциональную взаимозаменяемость. Иногда говорят о полной и «неполной» или «частичной» взаи ­ мозаменяемости.

П олная параметрическая взаимозаменяемость изделий под­ разумевает их взаимозаменяемость по всем нормируемым пара­ метрам.

Именно для обеспечения нормального функционирования изделий и разработан такой подход к их проектированию, ко ­ торый традиционно называют «полная взаимозаменяемость».

В число нормируемых параметров изделий могут входить:

-геометрические (размеры, отклонения формы и располо­ жения) параметры шероховатости поверхностей;

-физико-механические (твердость, масса, отражательная спо­

собность и т.д.);

-экономические (себестоимость, лимитная цена, произво­ дительность и др.);

-прочие (эргономические, эстетические, экологические и др.).

Относительно жесткие требования предъявляю тся к пара­ метрам всех элементов деталей и сопряжений, которые обе­ спечивают нормальную работу изделия. Обеспечение взаимо­ заменяемости, а значит и заданного уровня качества изделий подразумевает:

-установление ком плекса требований ко всем параметрам , оказывающ им влияние на взаимозаменяемость и качество изделий (нормирование ном инальны х значений и точности параметров);

-соблюдение при изготовлении установленных норм, еди­

ных для одинаковых объектов, и эффективный контроль нор­ мируемых параметров.

При назначении норм неправильный или нечетко опреде­ ленный выбор их границ может привести к нарушению взаи ­ мозаменяемости изготавливаемых изделий, следовательно, к несоблюдению заданного уровня качества изделий. У казание

23

типа 20 °С фиксирует не норму, а номинальное значение, что позволяет трактовать ограничения произвольно и может при­ вести к возникновению конфликтной ситуации.

«Неполная взаимозаменяемость» допускает взаимозаме­ няемость изделия по ограниченному числу параметров или

свойств.

Тела качения в одном подшипнике определенного типораз­ мера обладают полной взаимозаменяемостью, однако они мо­ гут оказаться невзаимозаменяемыми с телами качения другого подшипника того же типоразмера. В таком случае говорят о «внутренней взаимозаменяемости» тел качения в каждом из подшипников и о «внешней взаимозаменяемости» всех под­ шипников данного типоразмера, поскольку установка любого из них в проектируемое изделие должна обеспечить нормальное функционирование. «Внешняя взаимозаменяемость» подшип­ ников определяется «одинаковостью» присоединительных раз­ меров, точности вращ ения, нагрузочной способности и др. Из последних примеров видно, что наряду с взаимозаменяемостью по физико-механическим свойствам деталей значительное вни­ мание приходится уделять их геометрическим параметрам.

Можно «отказаться от взаимозаменяемости» еще в про­ цессе проектирования, залож ив в конструкцию компенсатор, который обеспечивает изменение в определенных пределах (регулирование) нормируемого параметра. Всем известны ре­ гулируемые опоры (ножки) приборов и станков, которые по­ зволяют компенсировать не только неточности изготовления самих изделий, но и несовершенство базовых поверхностей (стола, пола). Но при проектировании компенсаторов или устройств для регулировки такж е необходимо придерж ивать­ ся некоторых общих точностных требований к конструкциям , что и является поводом для употребления термина «частич­ ная взаим озаменяемость».

Функциональная взаимозаменяемость, которую иногда противопоставляю т «полной взаимозаменяемости» изделий гарантирует равноценное выполнение ими заранее оговорен­ ных ф ункций.

Ф актически функциональную взаимозаменяемость тоже можно рассматривать как полную взаимозаменяемость или «частичную взаимозаменяемость». Но в отличие от взаимо­ заменяемости вследствие «одинаковости» параметров, ф унк­ циональная взаимозаменяемость изделий определяется не­

24

обходимым и достаточным набором требований к их работе (выполнению заданных функций). Например, если необходимо записать краткое сообщение, функционально взаимозаменяе­ мыми могут быть карандаш , ш ариковая или перьевая ручка, кусок мела, компьютер (перечень составлен без учета экономи­ ческих затрат и квалиф икации пользователя). Наложение эко­ номических ограничений может резко укоротить такой список. Особенностью, которую подчеркивает термин «ф ункциональ­ ная взаимозаменяемость», является приоритет выполняемых изделием функций (карандашом, мелом, ручкой... «пиш ут») при возможных существенных технических отличиях исполь­ зуемых объектов. Ф ункционально взаимозаменяемыми реш е­ ниями в неподвижном сопряжении вала с зубчатым колесом могут быть посадка с гарантированным натягом, шпоночное или шлицевое сопряжения. Можно применить такж е ф икса­ цию зубчатого колеса винтом или штифтом.

Ф ункционально взаимозаменяемыми по содержанию за­ фиксированной информации для владельца компьютера могут быть файлы, записанные на жестком диске, флэш -памяти, компакт-дисках, а такж е «твердая копия» соответствующего файла, хотя параметрические отличия между носителями и н ­ формации весьма существенны.

Детали для изделий маш иностроения держат первый эк ­ замен на взаимозаменяемость в процессе сборки. Неточно изготовленные детали могут не собраться друг с другом или сломаться при попытке собрать их «силой», поэтому для ме­ ханических деталей и узлов в первую очередь рассматривает­ ся такой аспект как геометрическая взаимозаменяемость.

Геометрическая взаимозаменяемость выделяется особо, еще и потому, что в машиностроении и приборостроении им ен­ но формообразование деталей является преимущ ественным видом работ. В производстве геометрические параметры изде­ лий всегда получают с ограниченной точностью. Абсолютная точность недостижима на практике, да и необходимости в ней нет. Как правило, с одинаковым конечным результатом рабо­ тают детали, изготовленные в некотором диапазоне геометри­ ческих параметров. Разреш енный диапазон изменения пара­ метра — допуск. Чтобы обеспечить возможность назначения норм разных относительных уровней точности разрабатывают системы допусков. Для обеспечения взаимозаменяемости раз­ личных изделий по геометрическим параметрам необходимо

25

использование соответствующих систем допусков и посадок, которые оформлены в виде стандартов»

Технической докум ентацией задаю тся параметры с уста­ новленны м и нормами точности, которые в ходе изготов­ ления изделия реализую тся в виде реальны х параметров. О ценка значений этих параметров осущ ествляется на этапе контроля соответствия с использованием необходимых тех­ нических средств (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Параметры изделий - нормирование и контроль

Прим енение средст в изм ерений

для т ехнического контроля

Параметры следует не только нормировать в технической документации изделий, но и контролировать в процессе их из­ готовления или по его окончании. Годность изделия по пара­ метру Q оценивают сравнением действительного значения па­ раметра <Здейств с его предельными допускаемыми значениями.

Определение годности объекта по выбранному свойству заклю чается в контроле его параметра или характеристики. Если для контроля применяю т органы чувств (например, зре­ ние, слух и т.д.), то контроль называю т органолептическим. В случае если используют средства измерений - контроль на­ зывают измерительным .

При контроле можно осущ ествлять сортировку деталей на группы: «годные» и «брак». Такой контроль достаточен для потребителя. Однако информация только о годности может оказаться недостаточной для самого изготовителя, которому нужно знать числовые значения параметров каж дой детали для возможной корректировки процесса. Результаты измере­ ний, которые несут информацию о точности технологическо­ го процесса, получают с помощью приборов, измерительных установок и измерительны х систем. Информация о конкрет­ ном значении каж дого контролируемого параметра может быть получена в процессе технических измерений. Под техни­ ческими изм ерениям и мы будем понимать инструментальные

26

измерения, выполненные с точностью, не ниже установлен­ ной. Задачи установления требуемой точности и методы ее обеспечения составляют теоретическую основу технических измерений.

Чтобы получить действительное значение контролируемо­ го параметра, представленного физической величиной, не­ обходимо сравнить его реальное значение с единицей соот­ ветствующей физической величины - в этом и заклю чается суть любого измерения. Единицы физических величин, вос­ производящие их средства измерений, методики выполнения измерений, выполнение измерительных и иных процедур, вклю чаю щ их измерения, являю тся объектом исследования отдельной науки - метрологии.

Связи между стандартизацией, метрологией и взаимозаме­ няемостью очевидны. Если серийное производство и эксплуа­ тацию изделий удовлетворительного качества можно органи­ зовать только с применением взаимозаменяемости, делать это следует, опираясь на стандарты. Выполнение установленных требований, которые оформляются на основе стандартов, про­ веряют измерениями, которые в свою очередь базируются на стандартных единицах, средствах их воспроизведения, про­ цедурах и требованиях к оформлению.

1.4. Основные понятия в области нормирования точности

Корректное использование терминов - не только признак технически грамотного специалиста, но такж е необходимое и обязательное условие для однозначного истолкования и пра­ вильного понимания устанавливаемых требований.

Терминология единой системы допусков и посадок являет­ ся базой для соответствующей области взаимозаменяемости и нормируется ГОСТ 25346-89 «Основные нормы взаимозаменяе­ мости. Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений». Такие термины как «вал», «отверстие», «допуск», «отклонение» и ряд других ис­ пользуются для гладких, резьбовых, ш лицевых, шпоночных и других поверхностей и сопряжений.

Под термином размер понимается числовое значение ли ­ нейной величины в выбранных единицах измерения. «Линей­ ная величина» есть физическая величина - длина, которая объединяет такие геометрические параметры изделий, как диаметры, высоты, толщ ины, глубины и т.д. (рис. 1.6).

27

Рис. 1.6. Размеры изделия

В соединении деталей, входящ их одна в другую, различают охватывающую и охватываемую поверхности.

Для гладких, цилиндрических и конических деталей охва­ тывающ ая поверхность является отверстием, охватываемая - валом, а соответствующие размеры - диаметром отверстия и диаметром вала. Допускается применять термины «отвер­ стие » и «вал» такж е и к другим охватываю щ им и охватыва­ емым поверхностям, например, образуемых парой плоскостей (на рис. 1.6 размеры 1г и L J .

Вал - термин, условно применяемый для обозначения на­ руж ны х элементов деталей, вклю чая и нецилиндрические элементы (рис. 1.7). Все обозначения элементов деталей под­ падаю щ их под термин «вал» записываю тся строчными буква­ ми (например, d v 1г и т.д.).

Рис. 1.7. Наружные элементы деталей («валы»)

Отверстие —термин, условно применяемый для обозначе­ ния внутренних элементов деталей, вклю чая и нецилиндри­ ческие элементы (рис. 1.8). Обозначения элементов деталей, подпадаю щ их под термин «отверстие» обычно записывают прописными буквами (например, D v L и т.д.).

28

Рис. 1.8. внутренние элементы деталей («отверстия»)

Действительный размер (D, d) - размер элемента, установ­ ленный измерением с допустимой погреш ностью .

На чертеже должны быть указаны все размеры, необходи­ мые для изготовления и контроля детали. Однако, как уже было сказано ранее, требуемые размеры не могут быть выпол­ нены абсолютно точно, поскольку в процессе изготовления про­ является нестабильность физико-механических характеристик материала заготовки, происходит износ режущего инструмен­ та, изменение температуры окружающей среды и т.д. Поэтому в процессе изготовления будут незначительно изменяться раз­ меры на одной поверхности и от детали к детали. Успешное функционирование изделий возможно при условии исполнения поверхностей в пределах некоторого диапазона размеров, поэто­ му введено понятие предельных размеров.

Предельные размеры - два предельно допустимых разме­ ра элемента, между которыми должен находиться (или кото­ рым может быть равен) действительный размер годной детали (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Предельные размеры валов и отверстий

Наибольший предельный размер - это наибольш ий допу­ стимый размер элемента (Dmax, dmQX), а наименьший предель-

29

ныіі размер, соответственно, наименьш ий допустимый размер элемента (Dmin, d mJ .

Для ограничения предельных контуров нормируемых поверхностей стандарт вводит понятия интерпретации предель­ ных размеров. Пределы максимума и минимума материала представлены следующим образом.

Для отверстий диаметр наибольшего правильного вообра­

жаемого цилиндра, который может быть вписан в отверстие так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающими точками поверхности на длине соединения (размер сопряга­ емой детали идеальной геометрической формы, прилегаю щей к отверстию без зазора), не должен быть меньше, чем предел максимума материала. Дополнительно наибольш ий диаметр в любом месте отверстия, определенный путем двухточечного измерения, не должен быть больше, чем предел минимума материала.

Графическое отображение интерпретации предельных раз­ меров отверстия представлено на рис. 1.10.

Рис. 1.10. К интерпретации предельных размеров отверстия Условия годности элементов:

max — ^ ш а х ?

Д ля валов диаметр наименьш его правильного вообража­ емого цилиндра, который может быть описан вокруг вала так, чтобы плотно контактировать с наиболее выступающ ими точ­ кам и поверхности на длине соединения (размер сопрягаемой детали идеальной геометрической формы, прилегаю щ ей к валу без зазора), не должен быть больше, чем предел максим у­ ма материала. Дополнительно наименьш ий диаметр в любом месте вала, определенный путем двухточечного измерения, не должен быть меньш е, чем предел минимума материала.

80