При проектировании и изготовлении деталей допускается определенное отклонение от первоначально заданных параметров. Допустимые погрешности в размерах, устанавливаемые Международным стандартом, определяются для каждой категории изделий отдельно. Разница предельных значений, на которые могут отклоняться фактические размеры детали, называется допуском, а степень точности ее изготовления относительно проекта — квалитетом. В этой статье мы рассмотрим подробнее, что такое квалитет в системе допусков, а также разберем основные понятия, связанные с нормативами для производства технических элементов.
Основные определения и термины системы допусков и посадок (СДП)
В системе квалитета за основу берется понятие отверстия и вала. Данные определения условно обозначают наружные и внутренние элементы, в том числе и те, которые обладают нецилиндрической формой. Степень и способ подгонки таких деталей друг другу носит название посадки. В рамках производственных стандартов различают три варианта посадки:
1. С зазором — диаметр охватываемой несколько меньше диаметра охватывающего элемента соединения.
2. С натягом — вал при любом варианте исполнения имеет такие размеры, при которых он вставляется в отверстие с определенным усилием.
3. Переходная — форма деталей предусматривает как посадку с зазором, так и посадку с натягом, поскольку области их допусков могут перекрываться.
К вышеприведенным типам относится и термин «допуск посадки», определяемый как сумма допусков вала и отверстия. Также в СДП используются следующие понятия:
• номинальный размер — параметр, от которого отсчитываются отклонения, и служащий для определения предельно допустимых размеров. Для составных конструкций он является общим, определяясь с учетом функциональности деталей;
• действительный размер — фактический параметр произведенной детали. Устанавливается с помощью измерения с допустимой погрешностью;
• предельные размеры — максимальный и минимальный допускаемый параметр одного элемента. Обозначения: Dmax, Dmin – для отверстия, dmax, dmin – для вала;
• верхнее и нижнее отклонение — разница между соответствующими предельными и номинальными значениями;
• нулевая линия — линия, обозначающая номинальную размерную величину. Служит началом отсчета для определения квалитетных значений, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения;
• поле допуска — очерчивается предельными значениями, будучи ограничиваемым на чертежах линиями верхнего и нижнего отклонения.
Номинальные размеры и отклонения от них
Выточке детали обязательно предшествует создание чертежа, на котором указываются номинальные значения ее параметров. Так как абсолютного соответствия проектировочным данным в практическом исполнении, особенно для двух совмещаемых элементов, добиться невозможно, их изготовление идет с определенной степенью точности.
По общим критериям, меньшее отклонение от заданных габаритов означает больший класс квалитета. Величина несоответствия определяется допуском посадки, который всегда принимает положительные значения вне зависимости от того, в какую сторону от запланированных размеров были смещены поверхности в уже изготовленной детали.
Допуск также можно определить как допускаемый объем стачивания части конструкции при ее механической обработке. Размеры одинаковых деталей в одной партии могут варьировать в пределах, устанавливаемых производственными стандартами согласно своему классу точности.
Таким образом, если деталь была изготовлена с соблюдением предписанных нормативов по допускам, она идет в дальнейшую сборку. В противном случае она считается бракованной.
Для характеристики квалитета размеров тех или иных изделий важна не только точность отдельных составляющих конструкции, но и точность формовки и взаиморасположения их поверхностей. В этом отношении отклонения могут быть последствием деформации или неточности обрабатывающего оборудования, деформации самих деталей, неоднородности материала и других факторов.
В соединениях с заметной подвижностью отклонения могут привести к неравнормерному натягу. Это, в свою очередь, может сделать сопряжение элементов менее прочным и герметичным, а также снизить качество их центровки.
В собранных изделиях погрешности в деталях могут вызвать деформирование узлов, неравномерность в зазорах и сбой в работе всего механизма.
Система посадок как способ эффективного сопряжения поверхностей
Соединение деталей должно быть выполнено таким образом, чтобы узел был как можно более функционален. С этой целью была выработана система эффективных посадок с допусками, определенными, например, для таких механизмов, как зубчатые колеса, муфты, шкивы, поршневые системы и другие.
Тип сопряжения выбирается с учетом функционального назначения узла. Посадки с зазором применяются для подвижных соединений, к примеру, для подшипников, где требуется оставить пространство для свободного хода элементов, а также для смазочного материала. Кроме того, зазор может присутствовать в неподвижных сопряжениях, будучи предусмотренным для свободной и быстрой сборки.
Посадки с натягом используются в конструкциях с требованием высокой точности. Их применяют в механизмах, передающих крутящий момент и радиальные силы, которые не требуют вспомогательного крепления. Это является конструкционным преимуществом, упрощающим конфигурацию и сборку элементов. Данный тип соединения отличается достаточной неподвижностью, появляющейся за счет сил трения, которые возникают при соприкосновении поверхностей.
Натяги со средним квалитетом задействуются при изготовлении втулок, шестерней с большой нагруженностью, червячных колес с валами и прочих.
Переходный тип посадок предназначается для неподвижных сопряжений, которые, однако, можно разобрать, что обеспечивает простой монтаж и демонтаж конструкций. При этом используется дополнительный крепеж в виде болтов, штифтов или шпонок. Комбинированными посадками повышенной точности соединяются шкивы небольшого размера с маховиками, подшипниковые стаканы с корпусами или, например, муфты с валами.
Расчет СДП по квалитетам точности
Принципы допусков и относящихся к ним посадок укладываются в международно стандартизированную систему, иногда обозначаемую сокращением IT (international tolerance). В ней степени точности преобразованы в квалитеты. Всего определяют 19 квалитетов со следующим порядком: 01, 0,1, 2, … 17. При этом реальные величины допусков, выражаемые в микрометрах (микронах), сводятся в таблицу, учитывающую размерные диапазоны обрабатываемых деталей.
В проектной документации, например, можно встретить сокращения типа H7/h6, что подразумевает сопряжение отверстия и вала. Внешний элемент обозначается заглавной буквой, а внутренний — строчной. Цифры же означают квалитет.
В целом квалитеты находят следующие применения:
• IT01-3 – применяются для производства калибровочных инструментов.
• IT4-5 – предназначены для особо точных сопряжений, в которых необходимо добиться предельно однородного зазора или натяга. Детали такой точности обычно входят в состав измерительных устройств с высокоточными зубчатыми передачами и подшипниковыми механизмами.
• IT6-7 – используются для особо важных сопряжений со строгой регламентацией посадок. При этом точно определяемые зазоры и натяги должны обеспечивать идеально выверенный ход, перемещение, герметичность и прочность соединяемых компонентов. К устройствам с этими квалитетами относятся подшипники качения и скольжения, а также шестерни с достаточно высоким уровнем точности.
• IT8-9 – реализуются в основных вариантах посадки, к которым предъявляются не столь строгие требования. Они проектируются для того, чтобы обеспечивать среднеточную сборку и компенсировать допустимую деформацию поверхностей.
• IT10 – применяется в сопряжениях с зазорами, если в них предусматриваются определенные колебания компонентов.
• IT11-12 – предназначаются для так называемой грубой сборки, при которой посадка характеризуется достаточно заметным люфтом. К типичным соединениям с этими квалитетами принадлежат фланцы, крышки прокладочные кольца и другие.
• IT13-17 — используют для элементов, которые не входят в состав каких-либо соединений и, следовательно, не имеют особо принципиального значения в работе устройства.
В СДП принято считать, что допуски в рамках одного квалитета изменяются в соответствии с изменениями погрешности при изготовлении элемента, размер которого и определяет эти изменения.
Установление допусков (IT) осуществляется по формуле
IT = K × i,
где K – число единиц допуска, установленное для каждого квалитета, а i – единица допуска.
Переменные для расчета IT определяются в соответствии со следующей таблицей.
Особенности расчета СДП с помощью размерных цепей
Предполагаемая функциональность детали определяет набор ее параметров в проекте. К примеру, для свободного вращения шестерни нужно задать зазор, отделяющий его от втулки. Величина отступа при этом, как правило, оказывается зависимой от других размерных показателей сопрягаемых компонентов. Эта взаимозависимость образует понятие размерной цепи, которая по определению является комплексом параметров, спроектированных специально для решения конкретной задачи. Можно сказать, что размеры, входящие в такую цепь создают замкнутый контур.
Создавая такие контуры, инженеры стремятся обеспечить надлежащую точность и функциональность изделий. В ходе конструкционной разработки устанавливается связь параметров на отдельных стадиях производственного процесса.
На рисунке 2 показана динамическая зависимость размеров на разных этапах изготовления детали. При этом параметр СΔ получается автоматически при последовательном выдерживании остальных размеров.
Размерная цепь состоит из разных по своим геометрическим характеристикам параметров, которые относительно самой цепи называются звеньями. К таким составляющим можно отнести:
• посадочные показатели;
• диаметральные размеры;
• промежутки между осями и поверхностями;
• естественные деформации;
• мертвые ходы и перекрытия.
По основным правилам построения размерных цепей, прежде всего, необходимо установить замыкающее звено, то есть звено, получающееся после того, как будут выдержаны другие звенья. Эти звенья, называемые составляющими, подразделяются на увеличивающие и уменьшающие, в зависимости от того, увеличивают они или уменьшают замыкающее звено.
Прямые и обратные задачи в определении СДП
При расчете размерных контуров разработчики сталкиваются с двумя типами задач, определяющих конструкторский процесс: прямыми и обратными.
Прямые задачи в качестве вводных данных включают в себя номинальные параметры замыкающего элемента. При их решении конечной целью является определение в основном ключевых значений составляющих звеньев цепи.
Решение задач такого вида осуществляется еще на стадии проектировки изделия. Оно подразумевает выявление исключительно полей допусков. При этом номинальные значения оказываются определенными самой конструкцией продукта, а их правильность должна быть подтверждена проверочным расчетом.
Определенное значение в таких расчетах составляет коэффициент сложности, выражающий вероятность достижения предусмотренного квалитета в обычных условиях производства без привлечения дополнительного финансирования. В этом смысле во внимание принимаются такие факторы, как трудности, связанные с обработкой материала; достижимость квалитетного уровня на штатно работающем оборудовании.
Коэффициенты уровня сложности позволяют установить допустимые погрешности составляющих звеньев за исключением одного, уравнение допусков которого решают в последнюю очередь.
Кроме того, решение может состоять в том, что допуски составляющих звеньев при их равных значениях в проекте одинаково влияют на параметр завершающего звена. Принимая это во внимание, в величинах допусков делаются поправки в зависимости от коэффициента сложности.
Обратные задачи заключаются в нахождении габаритов замыкающего звена при известных значениях допустимых отклонений составляющих звеньев. Решая их, конструкторы верифицируют результаты решений прямых задач.
Способы получения искомой точности начального звена
Для получения требуемых характеристик размерной цепи, в том числе и точных параметров начального компонента, используются следующие методы:
• Полная взаимная заменяемость — при построении цепи составляющие звенья включаются без специального выбора. Метод отличается простотой выявления точности конечного компонента. Он позволяет различным производственным объединениям наладить совместную работу, а также не требует особой квалификации рабочих для осуществления сборочных работ.
• Вероятностный метод — учитывает законы, в соответствии с которыми габариты деталей распределяются по партиям, а также при сборке, случайным образом. Способ делает возможным увеличение допускных полей составляющих звеньев.
• Селективная сборка — подбор элементов ведется по определенным геометрическим или другим характеристикам. Разрешает отбирать детали партиями, регулировать положение компонентов, применять компенсаторы или выполнять другие необходимые действия.
• Пригонка — точность ключевого звена достигают, изменяя габариты звена, определенного как компенсирующее — с него при необходимости снимают некоторый слой материала. На чертежах компенсатор часто обозначается буквой, заключенной в рамку.
• Регулирование — метод похож на пригонку, однако не предусматривает заточку компенсатора. Вместо этого изменяется положение компенсатора или в конструкцию включается специальный элемент с необходимым размером.
Выбирая метод, помогающий получить нужную точность изначального звена, непременно следует учитывать конструкционные особенности устройства, его назначение, затраты на его производство и другие факторы. Оптимальный выбор способа, при котором можно увеличить производительность и сократить расходы, является важным показателем квалификации специалиста и уровня его работы.
Как показывает практика, метод полной взаимозаменяемости является наиболее эффективным, хотя его не всегда можно применить. При этом по возможности лучше избегать пригонки, подбора или регулирования.
Вместе с тем следует отметить, что вероятностный способ зачастую показывает неплохие результаты в экономическом плане. При его применении реализуются граничные, менее затратные квалитеты и минимизируется уровень брака.
СДП — принципиально определяющий фактор для рабочих показателей машин и механизмов. Отлично выверенная точность параметров технических элементов, несомненно является гарантией качества продукции и ее высоких эксплуатационных характеристик. То, насколько точно изготовлены детали, играет важную роль в обеспечении взаимозависимости отдельных узлов и компонентов технических объектов.
Оставить комментарий: