23. 3 Стандартизация допусков и посадок. Взаимозаменяемость

25. 3.1 Сущность и виды взаимозаменяемости

На современных заводах детали изготавливаются в одних цехах, а сборка узлов и изделий в целом производится в других цехах. При сборке используются также детали, узлы и изделия (шарикоподшипники, крепеж, резинотехнические изделия, шестерни), изготовляемые независимо на специализированных заводах и поставляемые по кооперации. При этом сборка всех деталей в сборочные единицы и последних в машину производится без дополнительной обработки, т.е. без подгонки одной детали к другой.

Такая экономическая технология изготовления машин возможна благодаря применению принципа взаимозаменяемости.

Дело в том, что выгодно специализировать производства, т.к. выпускаемые на подобных заводах оказываются более дешевыми, нежели на неспециализированных производствах. Сама же сборка при использовании принципа взаимозаменяемости становится дешевле (сборка с пригонкой стоит в 1,5 раза дороже изготовления детали, а сборка с использованием взаимозаменяемости ~20% стоимости детали) кроме того, надежная и экономичная эксплуатация изделий обеспечивается при условии быстрой и простой замены пришедшей в негодность детали аналогичной запасной деталью. Все это возможно, если размеры деталей в партии выполнены почти одинаковыми и в установленных пределах.

Взаимозаменяемостью называется принцип конструирования, производства и эксплуатации изделий, обеспечивающий возможность сборки машины или замены деталей при ремонте без пригонки при условии выполнения технических требований и достижения изделием заданных эксплуатационных характеристик.

Детали будут взаимозаменяемы, если их размеры, форма и расположение поверхностей, механические свойства материала и другие количественные характеристики будут находиться в заданных пределах – в пределах допусков Т (Tolerànce).

В настоящее время все производства работают на принципе взаимозаменяемости. Без этого принципа невозможно осуществить специализацию и кооперацию, являющимися важнейшими средствами технического прогресса.

Различают полную (100%) взаимозаменяемость и неполную.

Полная взаимозаменяемость означает, что все детали могут собираться в изделие без дополнительной обработки и пригонки. Достоинства: упрощение процесса сборки, сборка легко нормируется, поддается автоматизации (роботы), обеспечивается специализация и широкая кооперация, упрощается ремонт изделий.

Сборочная единица или машина, у которой некоторые детали требуют подбора, пригонки и применения конденсаторов, будут изделиями с ограниченной взаимозаменяемостью. Например, в подшипниках качения при сборке колец и шариков производится их подбор для получения малых биений (качаний) колец. Ограниченная взаимозаменяемость является вынужденной мерой, связанной с технической невозможностью или экономической нецелесообразностью получения деталей высокой точности. Она позволяет снизить требования к точности, увеличить допуски на изготовления.

Беспригоночная сборка деталей зависит от геометрических параметров – размеров, и в этом смысле говорят о взаимозаменяемости по геометрическим параметрам.

Качественная работа достаточно сложных машин и приборов зависит не только от размеров деталей, но и от других параметров, которые влияют на эксплуатационные показатели (надежность, к.п.д., долговечность, расход энергии и т.д.). Также параметры, называемые функциональными (влияют на выполняемые изделием функции), могут быть не только геометрическими, но и электрическими (особенно в приборах), магнитными, оптическими, физико-химическими и другими. Взаимозаменяемость должна распространяться и на такие параметры. Целью ограничения колебаний функциональных параметров является обеспечение качественного выполнения предписанных функций.

Взаимозаменяемость, при которой обеспечиваются экономически оптимальные эксплуатационные показатели за счет установления допустимых отклонений функциональных параметров, называется функциональной взаимозаменяемостью. Например – лампы дневного света. Показатель – световой поток. Параметры – геометрические размеры (должна стать на место), напряжение, стабилизатор, состав газовой среды и другое.

Для обеспечения функциональной взаимозаменяемости необходимо установить экспериментально или аналитически связь эксплуатационного показателя Q и функциональных параметров х_i:

Q = f_Q(x_i), i=. (3.1)

Далее, разложив функцию в ряд Тейлора и применив известные методы теории вероятностей, получим зависимость между изменением (допусками) показателя и параметров:

(3.2)

где х_i – функциональный параметр; _i – коэффициент, характеризующий распределение значений i-го параметра;

T_Q, - соответственно размахи значений (допуски) эксплуатационного параметра и i-го функционального параметра.

Зависимость справедлива для независимых параметров (для зависимых необходимо учитывать коэффициент корреляции параметров).

Нестабильность значений функциональных параметров приводит к изменению значений эксплуатационного показателя. Размах значений характеризует качество изделий.

Задаваясь допустимым размахом показателя можно рассчитать (при дополнительных условиях) допуски функциональных параметров. При этом надо учитывать как период сборки, так и период эксплуатации.

Каждая техническая система (машина, аппарат, прибор и т.д.) предназначена для выполнения определенных функций и характеризуется набором (вектором) эксплуатационных показателей. Пусть есть вектор “идеальной” технической системы, т.е. системы с нулевыми и минимальными погрешностями функциональных параметров. Тогда задачу точности, исходя из понятия цели как приближения к “идеалу”, можно сформулировать следующим образом. Необходимо так назначить допуски и отклонения T_i,j функциональных параметров x_i,j, чтобы вектор Q^*(T_i,j) реальной технической системы был возможно ближе к вектору “идеальной” системы по критерию сравнения (оптимизации) К_р, т.е.

(3.3)

U_T, ,

где U_T – область возможных, с учетом ограничений, значений допусков; m – количество эксплуатационных показателей.

В качестве критерия сравнения К_Р используют критерии точности, надежности или экономичности.

В дальнейшем мы будем рассматривать в основном взаимозаменяемость по геометрическим параметрам, учитывая, что основные полученные закономерности справедливы и при других параметрах.

Для обеспечения взаимозаменяемости не обязательно изготавливать детали (выдерживать значения параметров) с наивысшей точностью. Точность должна быть оптимальна, разумна.

Повышение точности изготовления деталей оказывает большое влияние на трудоемкость (стоимость) изготовления, усложняет технологию производства, снижает производительность труда и часто требует специального оборудования, которым производство может не располагать.

Зависимость между точностью изготовления и стоимостью Ц можно представить кривой гиперболического типа. Стоимость резко возрастает при изменении точности или погрешности. С другой стороны, чем выше точность изготовления (меньше допуск Т), тем меньше затраты при эксплуатации по причине более надежной и качественной работы изделия. На рисунке 8 показаны графики изменения стоимостей изготовления и затрат при эксплуатации от допуска изготовления. Минимум суммарной стоимости изготовления и эксплуатационных затрат определяют зону оптимальных допусков. В технике используются, кроме указанного, и иные экономические или неэкономические критерии выбора допусков: например, минимизация стоимости единицы произведенной машиной работы, максимум надежной работы за установленное время эксплуатации и др.

Рисунок 8 – Графики зависимостей стоимости изготовления Ц₁