1.1. Основные понятия метрологии и стандартизации

Метрология — наука об измерениях физических вели­чин, методах и средствах обеспечения их, единства и способах дости­жения требуемой точности.

Основные задачи метрологии (ГОСТ 16263—70) — установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, разработка теории, методов и средств измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей, со­стояния средств измерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим сред­ствам измерений.

Измерение физической величины выполняют опытным путем с помощью технических средств. В результате измерения получают значение физической величины:

Q = qU, (1)

где q — числовое значение физической величины в принятых еди­ницах; U—единица физической величины.

Значение физической величины Q, найденное при измерении, на­зывают действительным. В ряде случаев нет необходимости опреде­лять действительное значение физической величины, например при оценке соответствия физической величины установленному допуску. При этом достаточно определить принадлежность физической вели­чины некоторой области Т:

Q ⊂ Т или Q ⊄ Т. (2)

Следовательно, при контроле определяют соответствие действи­тельного значения физической величины установленным значениям. Примером контрольных средств являются калибры, шаблоны, уст­ройства с электроконтактными преобразователями.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Основные нормативно-технические до­кументы ГСИ — государственные стандарты. В соответствии с реко­мендациями XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417—81.

Точность в технике — это степень приближения истинного зна­чения параметра, процесса, предмета к его заданному значению.

Требования к точности могут относиться к точности механичес­кого или другого вида обработки, механизмов и машин, систем авто­матизированного управления, измерений и т.д.

Вместе с термином "точность" более часто для аналогичной оцен­ки используется термин "погрешность", поэтому необходимо дать не­которые пояснения по различию этих терминов и разграничению области их применения. Когда употребляют термин "точность", то обычно имеют в виду качественный показатель, характеризующий отличие этого показателя от заданного значения. Поэтому, говоря о точности, употребляют выражения "высокая точность", "низкая точ­ность" и т.д. Однако эти понятия или термин "точность" невозможно использовать при нормировании требований о приближении значения к заданному.

Термин "погрешность" используется для количественной оценки точности. Погрешность — разность между приближенным значением некоторой величины и ее точным значением. Это опреде­ление относится к так называемой абсолютной погрешности, которая обычно нормируется для характеристики точности в машиностроении. Таким образом, строго говоря, нормируется погрешность как показа­тель точности. Во всех случаях, когда считают, что точность "высо­кая" или "низкая", необходимо в подтверждении указывать значение погрешности. Нельзя говорить, например, о "высокой точности изго­товления", если не указывается погрешность этого изготовления.

Необходимо обратить внимание на необходимость говорить не о точности изготовления детали, а о точности изготовления элемен­тов детали. Любая деталь, даже простейшая, состоит из нескольких элементов. Так, цилиндрический валик состоит из элемента в виде цилиндрической поверхности и двух элементов в виде плоскостей, требования к точности у которых разные. Цилиндрический валик мо­жет иметь несколько ступеней, и требования к точности изготовления размеров их диаметров, как правило, разные, поскольку у них разные эксплуатационные функции.

Более точно следует говорить, что в машиностроении чаще всего нормируются требования к точности элементов детали, но иногда и всего механизма.

В настоящем предмете, в основном, будут рассматриваться воп­росы нормирования точности геометрических параметров элементов деталей.

Могут возникнуть вопросы: зачем нормировать требования к точ­ности и почему нельзя изготовить абсолютно точно элементы детали и не нормировать и не рассматривать вопросы точности?

Однако изготовить абсолютно точно элементы детали невозмож­но да и не нужно:

а) в зависимости от назначения элемента детали требования к его точности должны быть разные;

б) по целому ряду причин (о чем будет сказано в следующем параграфе) невозможно изготовить абсолютно точно любой элемент детали, даже самый простой;

в) чем точнее требуется изготовить элемент детали, тем дороже будет это изготовление; стоимость изготовления с повышением требо­ваний к точности увеличивается по кривой второго порядка.

Таким образом, изготовить абсолютно точно элемент детали невозможно, не нужно, и чем точнее требуется изготовление, тем дороже обходится эта продукция. На последнее обстоятельство необ­ходимо обратить Ваше внимание для того, чтобы в своей практической деятельности Вы не назначали требований к точности больше, чем в действительности требуется для работы этого элемента. Вопрос пра­вильного назначения требований к точности очень сложный и для его решения нужны не только знания, но и практический Опыт.

В отношении элементов деталей в машиностроении нормиро­вание точности, т.е. установление требований о степени приближения к заданному значению, состоянию или положению можно и нужно рассматривать в отношении нескольких параметров (показателей), характеризующих определенные эксплуатационные свойства и уста­навливающие связь с причинами проявления неточности.

Есть много причин, по которым невозможно изготовить элементы детали абсолютно точно. Ниже рассмотрены основные из них, воз­никающие при изготовлении элементов деталей в машиностроении.

1. Состояние оборудования и его точность. Обрабатывающий станок в большинстве случаев почти полностью переносит свою неточ­ность обрабатываемой детали. Так, биение шлифовального круга и вибрации приводят к появлению поверхностных неровностей. Шаг нарезаемой резьбы почти полностью копируется с шага винта токар­ного станка и т.д. Если устройство для подачи инструмента работает не плавно, то невозможно получить точный размер. Точность штампа полностью переносится на точность детали.

2. Качество и состояние технологической оснастки. К такой оснастке относится вспомогательное оборудование. Если в кондукторе для сверления неправильно расположены отверстия, то эта погреш­ность перейдет и на деталь. Если центра для установки детали на шлифовальном станке сбиты, то невозможно получить цилиндричес­кую деталь, она может оказаться конусной.

3. Режимы обработки. Для каждой детали и деталей с близкими размерами и близкими требованиями к точности по указанным четы­рем геометрическим параметрам должны быть оптимальные режимы обработки. Если при шлифовании давать очень большие подачи, то могут получиться большие неровности на поверхности, прижоги, т.е. деталь так разогреется, что закаленная поверхность может оказаться отпущенной.

4. Неоднородность материала заготовок и неодинаковость при­пуска на обработку. Из-за этих причин происходит износ инструмен­та, т.е. его размер может меняться от начала до конца обработки одной детали. Разные припуски приводят к разному разогреву детали, и ее размер после остывания оказывается другим, чем непосредственно после обработки. Неоднородность заготовок по твердости в разных местах приводит к появлению вибраций в процессе резания, а это в свою очередь — к появлению поверхностных неровностей.

5. Температурные условия. Во всем мире установлено, что все размеры должны определяться при температуре 20°С. Поэтому, если температура отличается от 20°С, особенно в процессе изготовления или измерений, то это отражается как на размере детали, так и на искажении формы и расположения ее поверхностей.

6. Упругие деформации детали, станка, инструмента. Если при установке детали на станке в центрах сильно подать ее, то практи­чески невозможно получить цилиндрическую поверхность, поскольку деталь изогнется из-за поджимов. Сильно прижатая к плоскости стан­ка деталь после обработки и снятия нагрузки может оказаться не­правильной формы.

7. Квалификация и субъективные ошибки рабочего. При работе на определенном виде оборудования рабочий должен приобрести на­вык. Это дается годами и при этом не обязательно рабочие, прорабо­тавшие одинаковое время на одинаковых станках, способны сделать деталь одинаковой точности. Это в значительной мере зависит от ин­дивидуальных особенностей человека — субъективные факторы — и имеет место, как в процессе изготовления, так и в процессе измерения.

Приведенные причины показывают, что невозможно изготовить детали совершенно одинаковые и без погрешностей. В связи с этим при решении вопроса о взаимозаменяемости приходится решать вопрос о том, насколько можно допустить отклонение по приведенным четырем геометрическим параметрам с тем, чтобы эта деталь или узел обладали свойством взаимозаменяемости, т.е. нормировать требования к точ­ности. Конструктор должен решать вопрос о нормировании оптималь­ной точности, которая действительно нужна, а технолог решать вопрос, как при существующем оборудовании добиться установленной конструктором точности. Конструктор часто стремится нормировать более высокую точность (не всегда достоверно известна требуемая), а технолог заинтересован в меньшей точности (легче и дешевле изго­тавливать) . И так существует постоянное противоречие между разра­ботчиком и изготовителем.