Точность в машиностроении

§ 10. Значение точности и производственные погрешности установление и технологическое обеспечение необходимой точности

Под точностью в технологии машиностроения понимается степень соответствия производимых изделий их заранее установленному прото­типу или образцу. Чем больше это соответствие, тем выше точность. На всех этапах технологического процесса изготовления машин неиз­бежны те или иные погрешности, в результате чего достижение абсо­лютной точности практически невозможно.

Погрешности, возникающие на различных этапах технологического процесса, взаимосвязаны. Точность сборки машины зависит от точности изготовления ее деталей. Последняя, в свою очередь, зависит от точ­ности изготовления заготовок, поскольку их свойства в определенной степени наследуются готовыми деталями. Поэтому вопросы точности должны решаться не изолированно, а комплексно для всего технологи­ческого процесса.

Точность и качество готовых машин во многом зависит от качества исходных материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, поступающих со смежных предприятий. Таким образом, вопросы ка­чества машин не могут полностью решаться на данном, конкретном предприятии, а перерастают в большую народнохозяйственную проб­лему. Специализация и кооперирование производства должны способ­ствовать ее полному решению.

Точность в машиностроении имеет большое значение для повышения эксплуатационных качеств машин и построения технологического процесса их изготовления Увеличение скорости и удельных нагрузок может быть достигнуто повышением точности обработки деталей. Зуб­чатые колеса, изготовленные с незначительной точностью, не могут работать при высоких скоростях, так как при этом в передаче возни­кают дополнительные ударные нагрузки. Точность работы делитель­ного механизма целиком зависит от точности изготовления деталей де­лительной цепи (делительных дисков, зубчатых колес и пр.). С повы­шением точности увеличивается долговечность и надежность машин, а это в свою очередь сокращает издержки на обслуживание, простой и ремонт машин, находящихся в эксплуатации. Известно, что все рас­ходы на ремонт и восстановление работоспособности машин нередко в несколько раз превышают стоимость. С повышением надежности машин можно уменьшить их выпуск для народного хозяйства и соот­ветственно высвободить производственные мощности машиностроитель­ных заводов. На рис. 14, а кривая 1 выражает общий характер влияния качества изготовления (долговечности) подшипников качения на расходы С, связанные с ремонтом зубчатых редукторов и вынужденным простоем машины (трактора, станка, двигателя), в состав которой они входят; кривая 2 выражает зависимость стоимости подшипников от их качества; кривая 3 характеризует влияние качества подшипников на суммарные расходы. Из рисунка видно, что издержки эксплуатации ма­шин сильно зависят не только от качества изготовления их основных де­талей, но и от качества изготовления таких комплектующих изделий, какими являются подшипники качения.

Повышение точности изго­товления заготовок снижает трудоемкость последующей механической обработки и сокращает расход материала из-за уменьшения припусков на ее выполнение. Повыше­ние точности механической обработки сокращает трудо­емкость сборки машин бла­годаря частичному или пол­ному устранению пригоноч­ных работ. Повышение точ­ности способствует достиже­нию взаимозаменяемости эле­ментов машин. Взаимозаме­няемость в свою очередь обеспечивает возможность поточной сборки и быстроты ремонта машин, находящихся в эксплуатации.

За последние 25—30 лет точность машиностроительного производ­ства заметно возросла .Так, допуски на изготовление деталей основных сопряжений автомобильных двигателей сократились в связи с увеличе­нием быстроходности, мощности и моторесурса примерно в 1,5—2 раза. Многие детали изготовляются теперь с микронной точностью. Высокие требования предъявляют к точности изготовления продукции станко-инструментальной промышленности. Отдельные детали прецизионных станков приходится изготовлять с точностью до десятых долей микрона. Важным условием производства машин на современном этапе является не только надежное обеспечение необходимой точности, но и сохранение ее на заданный срок эксплуатации машин.

Особое значение имеют вопросы точности при автоматизации про­изводства. В этом случае необходимое качество продукции должно получаться не вследствие искусства рабочего, а в результате устойчи­вой и надежной работы технологического оборудования. С развитием автоматизации производства проблема получения продукции стабиль­ного качества становится все более актуальной. Ее решение должно ба­зироваться на глубоком исследовании технологических факторов, влияющих на точность, тщательном изучении условий работы оборудования и оснастки, а также на изыскании новых прогрессивных техноло­гических методов.

При решении вопросов точности в машиностроении: устанавливают необходимую точность изготовления машины и ее элементов, исходя из предъявляемых к ней требований и функционального назначения, оп­ределяют необходимые методы и средства технического контроля про­изводимой продукции на базе заданной точности изготовления*; обес­печивают заданную точность изготовления машины и ее элементов соот­ветствующим построением технологических процессов, выполняя тре­бование экономичности; устанавливают технологические допуски на промежуточные размеры заготовок и допуски на вспомогательные базы для выполнения операций механической обработки; определяют фак­тическую точность при лабораторных и производственных исследова­ниях действующих или новых технологических методов и процессов; выявляют причины невыдерживания заданной точности в производ­ственных условиях и изыскивают пути ее повышения с разработкой со­ответствующих мероприятий. Первая задача решается конструктором, а последующие технологом при проектировании новых, отладке внед­ряемых и исследовании действующих технологических процессов. Уста­новление заданной точности является ответственным этапом работы конструктора. Она устанавливается на основе анализа условий работы машин с учетом экономики их изготовления и последующей эксплуата­ции. Задача решается на базе теоретических и экспериментальных дан­ных с учетом опыта эксплуатации машин аналогичного типа.

В зависимости от того, какие требования нужно выдержать, подход к решению вопроса точности может быть различным. При изготовлении точного технологического оборудования установление допустимых отклонений может быть выполнено на основе геометрических расчетов. Для быстроходных машин расчеты точности следует делать с учетом динамических явлений. Для подвижных соединений нужно учитывать условия смазки контактирующих поверхностей, а для соединений с га­рантированным натягом обязательна проверка по сдвигающим усилиям и моментам. Учитывают также тепловые явления, требования взаимо­заменяемости, качество поверхностей сопряженных деталей, условия сборки и ремонта, допустимый износ, определяющий продолжитель­ность работы машины до ее ремонта. Однако излишне высокая точность увеличивает издержки производства машин и обычно не повышает их функционального качества. При жестких допусках, т. е. с повышением точности изготовления машины возрастает трудоемкость Т и себестои­мость С ее изготовления (рис. 14, б), причем себестоимость возрастает быстрее трудоемкости. Для каждого конкретного случая имеется оп­тимальное решение по назначению необходимой точности.

Рассмотрим несколько общих примеров для иллюстрации изложен­ных положений. На рис. 14, в показан график для определения оптимального допуска на зазор 6$ между плунжером и цилиндром гидравли­ческой машины. Кривая Q характеризует изменение эксплуатационных расходов за установленный срок службы машины, вызываемых утеч­ками жидкости и трением в плунжерной паре и влияющих на к. п. д. машины, от 6s. Кривая С₂ характеризует изменение себестоимости из­готовления плунжерной пары от той же величины. Складывая геомет­рически обе кривые, получим результирующую кривую С, минимум которой соответствует наивыгоднейшему допуску на зазор.

На рис. 14, г показан график изменения эксплуатационных расхо­дов при работе сопряжения поршневой палец-шатун быстроходного двигателя в зависимости от срока его работы. Линия 1 характеризует изменение расходов для сопряжений, выполненных с малой точностью (большим допуском на размер), а линия 2 — с более высокой точностью. По оси ординат отложены себестоимости изготовления сопряжений. Отрезок с выражает расходы на ремонт и запасные части, а отрезок b — расходы, связанные с простоем двигателей за время их ремонта. Срок службы сопряжения сильно зависит от точности его выполнения. По­этому на линии / показаны два ремонта сопряжения, а на линии 2 один. Из графика видно, что за установленный срок эксплуатации бо­лее точное сопряжение экономически выгодно.

Отсутствие методик и расчетных данных затрудняет применение аналитического метода установления точности. Нередко допуски уста­навливают на основе специально поставленных экспериментов и более или менее длительных испытаний опытных образцов. В результате сбора и систематизации материалов по точности создаются нормативы для данного типа машин и данных производственных условий.

Рассмотрим подробнее точность механической обработки и сборки, технологические факторы, влияющие на точность, и методы ее техно­логического обеспечения.

Точность механической обработки. У различных деталей обработке подвергают комплекс взаимосвязанных поверхностей. При анализе механической обработки различают точность выполнения размеров, формы поверхностей и их взаимного расположения.

Точность выполнения размеров отдельных поверхностей детали (диаметр цилиндрической поверхности, глубина отверстия, угол конуса и пр.) регламентируется допусками, проставляемыми на рабочих чер­тежах деталей.

Под точностью формы поверхностей понимают степень их соответ­ствия геометрически правильным поверхностям, с которыми они отож­дествляются. Отклонения формы весьма многообразны. Цилиндриче­ская поверхность может иметь небольшую конусность, некруглость поперечного сечения, искривление оси. Плоскость может иметь не­большие выпуклости, вогнутость и другие отклонения формы. Откло­нения формы сопряженных поверхностей имеют часто большее значение для работы деталей в механизме, чем погрешности их размеров. До­пускаемое отклонение формы поверхности нередко задается частью до­пуска на ее размер. При обработке шеек валов допустимая овальность и конусность на всей их длине обычно составляет не более половины допуска на диаметральный размер. Предельные отклонения формы для плоскостей и цилиндрических поверхностей приводятся в ГОСТ 10356—63.

К погрешностям взаимного расположения поверхностей деталей относят несоосность участков ступенчатого вала, непараллельность противолежащих граней плит или планок, неперпендикулярность оси цилиндрической поверхности к ее торцу, погрешности расположения отверстий в корпусных деталях и пр.

Предельные отклонения от параллельности и перпендикулярности, предельные значения торцового и радиального биения приведены в ГОСТ 10356—63. Допускаемые отклонения расположения поверх­ностей часто устанавливают на основе опытных данных, полученных в результате обобщения материалов по эксплуатации машин.

Общая (суммарная) погрешность обработки является следствием влияния ряда технологических факторов, вызывающих первичные по­грешности. К их числу относят: погрешности, вызываемые неточной установкой обрабатываемой заготовки на станке; погрешности обра­ботки, возникающие в результате упругих деформаций технологиче­ской системы станок—приспособление—заготовка — инструмент под влиянием сил резания; погрешности, возникающие под влиянием сил закрепления заготовки; погрешности, вызываемые размерным износом режущего инструмента; погрешности настройки станка; погрешности, обусловливаемые геометрическими неточностями станка (и в некоторых случаях приспособления); погрешности, вызываемые неточностью изго­товления инструмента; погрешности обработки, возникающие в резуль­тате тепловых деформаций технологической системы. Возникают также Погрешности от действия остаточных напряжений в материале загото­вок и готовых деталей. Они достигают больших значений при малой жесткости обрабатываемых заготовок.

Заданная точность может быть обеспечена различными технологи­ческими методами. В единичном производстве она обеспечивается ин­дивидуальной выверкой устанавливаемых на станок заготовок и по­следовательным снятием стружки пробными проходами, сопровождае­мыми пробными промерами. Точность обработки при этом зависит от квалификации рабочего. В условиях серийного и массового произ­водств точность обеспечивается методом автоматического получения размеров на предварительно настроенном станке. Установку заготовок осуществляют без выверки в специальные приспособления на заранее выбранные базовые поверхности. При большой партии заготовок этот метод более производителен, так как обработка ведется за один проход, а затраты времени на предварительную настройку станка расклады­ваются на всю партию заготовок. Точность обработки в этом случае зависит от квалификации наладчика, производящего настройку и под-настройку станка. Примерами обработки методом автоматического получения размеров могут служить многорезцовое обтачивание, фре­зерование на продольно-фрезерных станках, тонкое растачивание и дру­гие виды однопроходной обработки.

В обоих рассмотренных методах на точность влияет субъективный фактор. При первом методе это влияние сказывается в процессе обра­ботки каждой детали, при втором методе—на партии деталей, снимаемых со станка между его настройками или поднастройками на заданный размер*. Влияние субъективного фактора на точность обработки устра­няется применением мерных режущих инструментов (развертки, про­тяжки, фасонные фрезы, калибровочные резцы для канавок и пр.). Точность обработки в данном случае не зависит от квалификации рабо­чего или наладчика, так как при смене инструмента не происходит из­менения настроечного размера.

В условиях мелко- и среднесерийного производств применяют об­работку за один проход с установкой инструмента по лимбу. Нужное деление лимба определяют пробной обработкой первой детали партии или по эталону. В данном случае на

точность обработки влияют субъективные факто­ры двух видов: один из них связан с погрешностью уста­новки необходимого деления лимба (погрешность настрой­ки), другой — с повторяющей­ся для каждой детали пог­решностью установки режу­щего инструмента по найден­ному делению лимба.

В автоматизированном производстве применяется другой, более прогрессивный

метод обеспечения заданной точности. Он заключается в том, что в станок встраивают измерительное и регулирующее устрой­ство (подналадчик), которое в случае выхода обрабатываемой детали из поля допуска автоматически подналаживает (корректирует) систему , на заданный размер. Влияние субъективного фактора здесь исключено, если не считать погрешностей регулировки самого подналадчика. Устройства данного типа характерны для станков, выполняющих об­работку за один проход (сквозное бесцентровое шлифование, тонкое и чистовое растачивание и т. п.). Для станков, выполняющих обработ­ку за несколько проходов (наружное круглое и внутреннее шлифова­ние), характерно использование устройств, производящих измерение на ходу. При достижении заданного размера эти устройства автоматически выключают подачу станка. В настоящее время имеется большое коли­чество подобных систем, известных под названием средств активного контроля. Их внедрение в производство дает возможность повысить точность и производительность обработки.

Ранее отмечалось, что с повышением заданной точности трудоем­кость и себестоимость изготовления машин растет. На рис. 15, а по­казано влияние заданной точности детали на себестоимость ее изготов­ления из одной и той же заготовки. Из рисунка видно, что с повыше­нием класса точности выдерживаемых размеров себестоимость обработки увеличивается. Это обусловлено использованием более точных отде­лочных методов и усложнением технологического маршрута обработ­ки данной поверхности, включением в него большего количества про­межуточных методов. Себестоимость обработки растет в зависимости от количества методов, составляющих данный технологический маршрут, нелинейно; а в несколько большей степени. Это вызывается тем, что себестоимость отделочной обработки больше, чем чистовой, а чистовой больше, чем предварительной. Точная обработка более трудоемка и выполняется более квалифицированными рабочими и на более дорогом оборудовании.

На рис. 15, б показано влияние отделочных (финишных) методов обработки, обеспечивающих заданную точность наружной цилиндри­ческой поверхности, на себестоимость ее получения. Кривая 1 характе­ризует чистовое точение, кривая 2 — предварительное шлифование, а кривая 3 — чистовое шлифование. Используя высокую квалификацию исполнителя и соответствующие условия обработки, можно, например, чистовым точением достичь второго класса точности. Однако по срав­нению с шлифованием это будет неэкономично. На рисунке видны вы­деленные зоны так называемой средней экономической точности об­работки для каждого из рассматриваемых методов. Средняя экономи­ческая точность чистового точения на предварительно настроенном станке составляет 3—За класс, предварительного шлифования 2а—3 и чистового 2—2а. Для получения точности первого класса экономи­чески целесообразно применять тонкое шлифование и другие отделоч­ные методы (например, притирку). Средняя экономическая точность обработки зависит от уровня развития технологии производства. Для каждого метода обработки она обычно ниже максимальной технологи­чески достижимой точности обработки. Данные по средней экономи­ческой точности различных методов обработки приводятся в виде таб­лиц во многих технологических справочниках. Эти таблицы исполь­зуют для предварительной разработки технологических процессов ме­ханической обработки. По мере совершенствования технологии обра­ботки эти таблицы подвергаются периодической корректировке.

Точность сборочных работ. При сборке машин могут иметь место ошибки взаимного положения их элементов, некачественные сопря­жения, а также деформации соединяемых деталей. Эти погрешности ухудшают функциональные характеристики машин. Неправильное взаимное положение сопрягаемых деталей и узлов металлорежущих станков снижает геометрическую и кинематическую точность послед­них. Неправильная сборка узлов вращения (например, роторов лопа­точных машин) вызывает их осевое и радиальное биение, а также не­уравновешенность. Некачественные сопряжения стыков уменьшают их конктактную жесткость и герметичность. Неправильная сборка гид­равлических машин может вызвать нарушение предписанных зазоров в основных сопряжениях и как следствие этого снижения коэффициента полезного действия, производительности и развиваемого напора. Пере­косы деталей в узлах трения вызывают их неравномерный и интенсив­ный износ, нагрев, а также возможность задиров поверхностей сколь­жения. Преувеличенные зазоры в коренных и шатунных подшипниках коленчатого вала вызывают стуки при работе двигателей внутрен­него сгорания и значительно сокращают сроки их службы. Примеры подобного рода можно найти во всех областях машиностроения.

От качества сборки зависит надежность и долговечность работы выпускаемых машин. Под надежностью понимают вероятность безот­казной работы машины в определенных условиях и в течение заданного срока службы. Срок службы это время работы машины до ее первого планового ремонта или между плановыми ремонтами. Основы надеж­ности закладываются конструктором при расчете и конструировании машины. Все факторы, обеспечивающие надежную работу машины, должны быть тщательно продуманы и отражены в чертежах, в технической документации.

Не менее важным фактором обеспечения надежности является ка­чественное производство машин. На надежность влияют все этапы произ­водства от процесса вы­полнения заготовок до сборки машин. Отказы могут быть вызваны не­доброкачественным вы­полнением соединений, регулировочных и пригоночных работ; ослаблением крепежных дета­лей; разрегулированием в процессе работы; нарушением контактов в электрических системах и другими причинами.

На рис. 16, а показа­ны графики интенсивности отказов изделий в функции времени их эксплуатации. На графике выделены три характерные зоны: зона / — период приработки деталей изделий, зона II — период нормальной эксплуатации и зона /// — период резкого повышения интенсивности отказов в результате проявления физического износа изделий. Кривая А характеризует машины, сборка которых производилась недостаточ­но качественно, кривая Б — машины, сборка которых производилась более качественно. В результате этого сократился первый период и уд­линился второй. Интенсивность отказов, представляющая собой число отказов в единицу времени, снизилась в первой и второй зонах.

На рис. 16, б показаны кривые надежности R работы изделий в функ­ции времени t. Эти кривые соответствуют периоду нормальной эксп­луатации изделия (зона II), для которого интенсивность отказов имеет постоянное значение. Для этих условий надежность выражается экспо­ненциальной зависимостью , где е — основание натуральных логарифмов. Кривая Б на этом рисунке характеризует более надеж­ную работу изделий, сборка которых произведена более качественно по сравнению с вариантом сборки, выражаемым кривой А.

Погрешности сборки вызываются: отклонениями размеров, формы и взаимного расположения поверхностей сопрягаемых деталей. Эти отклонения влияют на зазоры и натяги, ухудшая заданные посадки, вызывают радиальные и торцевые биения при сборке узлов вращения, несоосности и другие погрешности взаимного положения элементов машины; некачественной обработкой сопрягаемых поверхностей, в результате чего возникает их неплотное прилегание, снижение кон­тактной жесткости стыков и герметичность соединений; неточной уста­новкой и фиксацией элементов машины в процессе ее сборки; некачест­венной пригонкой и регулировкой сопрягаемых элементов машины; нарушениями условий и режимов выполнения сборочных операций (не­равномерная затяжка резьбовых соединений, вызывающая перекосы и деформации собираемых элементов, перекосы и деформации при запрессовке и других видах соединений, деформация при закреплении деталей и узлов в сборочных приспособлениях); геометрическими не­точностями сборочного оборудования, приспособлений и инструмен­тов; неточной настройкой сборочного оборудования; тепловыми дефор­мациями элементов технологической системы (сборочное оборудова­ние — приспособление — инструмент — собираемый объект). Погреш­ности сборки могут возникать также в результате действия остаточных напряжений в материале деталей не проявившихся полностью при механической обработке. Нетехнологичные конструкции изделий за­трудняют получение заданной точности.

Точность сборки обеспечивается следующими четырьмя методами.

Индивидуальной пригонкой сопрягаемых деталей и узлов изделия. Для этой цели применяют припиливание, шабрение, притирку, а также совместную обработку сопряженных поверхностей (растачивание или развертывание отверстий для обеспечения их соосности). Метод применятся в условиях единичного и мелкосерий­ного производств, а также в тех случаях, когда конструктивные до­пуски уже технологических.

Регулированием зазоров или взаимного положения элементов изделия. Регулирование осуществляют при помощи компен­саторов (прокладки, клинья, винты), которые должны быть предусмот­рены в конструкции изделий. Сопряженные детали обрабатывают по широким допускам, а требуемый зазор обеспечивается индивиду­альной установкой или регулированием соответствующего компен­сатора.

Выполнением соединений по принципу пол­ной или частичной взаимозаменяемости. Ме­тод применяется в тех случаях, когда конструктивные допуски равны или шире технологических. Сборка ведется без пригоночных и регули­ровочных работ.

Выполнением соединений по принципу групповой взаимозаменяемости. Детали изделия обрабатывают с широкими допусками, а заданная точность сопряже­ния обеспечивается непосредственным подбором или предварительной сортировкой деталей на размерные группы. Метод применяется при сборке изделий, имеющих сопряжения высокой точности.

Выбор того или иного метода обеспечения точности определяется анализом размерных цепей собираемого изделия.

Ошибка получающаяся на замыкающем звене размерной цепи, равна сумме ошибок всех остальных звеньев, составляющих данную размерную цепь.

(8)

Допуск на замыкающее звено размерной цепи

(9)

где — величина допуска i-го звена этой цепи; т — число всех звеньев размерной цепи, включая замыкающее звено.

Допуск на замыкающее звено размерной цепи задается конструктором­ машины, исходя из ее функционального назначения. При малой величине этого допуска и многозвенной цепи допуски на остальные звенья получаются очень жесткими. В этом случае сборку выполняют методом регулирования при одновременной корректировке конструкции­ изделия введением в него соответствующего компенсатора. При более простых размерных цепях и узком допуске на замыкающее звено­ может быть Применен метод групповой взаимозаменяемости. При простых размерных цепях и не очень жестком допуске на замыкающее звено обычно применяют сборку по методу полной взаимозаменяе- мости.

По формулам (8) и (9) расчет размерных цепей ведется методом мак­симума—минимума. Этот метод используют в тех случаях, когда в раз­мерных цепях должна быть установлена 100-процентная взаимозаме­няемость всех составляющих звеньев. Если по условиям производства экономически выгодно на составляющие звенья назначать более широ­кие допуски, предусматривая в то же время частичный выход размеров замыкающих звеньев за пределы установленного допуска, то расчет размерных цепей ведется вероятностным методом. Оба метода расчета размерных цепей с решением прямых и обратных задач приводятся в ГОСТ 16320—70.