Метролог.,стандарт., сертиф. - исправл.15.12. 2009 г. последний вариант
реклама
Федеральное агентство по образованию _________________________________________________________________________________ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) Кафедра теоретических основ материаловедения А.Б.Романов Метрология, стандартизация, сертификация Учебное пособие Санкт-Петербург 2010 1 УДК 621.753.1/3(075.80) Романов А.Б. Метрология, стандартизация, сертификация: учебное пособие/ А.Б. Романов. - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2010 - 174 с. В учебном пособии рассмотрены основные положения метрологии, стандартизации, взаимозаменяемости, допусков и посадок, сертификации продукции и услуг. Учебное пособие предназначено для студентов 3-го курса инженернокибернетического факультета и соответствует рабочей программе “Метрология, стандартизация и сертификация”. Рис. 39 , табл. 11 , библиогр. назв. 21 Рецензенты: 1. СбГУПС. Кафедра инженерной химии и защиты окружающей среды, д-р техн. наук, проф. Л.Б.Сватовская 2. Р.Ш.Абиев, д-р техн. наук, профессор, зав.кафедрой оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ) Утверждено на заседании учебно-методической комиссии общеинженерного отделения 22.10.2009, протокол № 2. Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ) 2 Введение Учебная дисциплина “Метрология, стандартизация и сертификация” относится к тем дисциплинам, основные положения которых, особенно разделы, связанные с взаимозаменяемостью, точностью, допусками и посадками, непосредственно используются в инженерной деятельности. Знания, полученные при изучении курса, необходимы для грамотного конструирования и обеспечения нормальной эксплуатации химических машин и аппаратов, для достижения высокого качества, требуемой точности и оптимальной стоимости изделий. Для усвоения данной дисциплины необходимы знания математики, физики, черчения, деталей машин, теории машин и механизмов, сопротивления материалов, технологии материалов, материаловедения. Основные положения дисциплины будут использованы при последующем изучении технологии химического машиностроения, специальных курсов, выполнении курсовых и дипломного проектов. Учебная дисциплина состоит, что и отражено в названии, из трех взаимосвязанных частей. Метрология – это наука о единицах, средствах и методах измерений. Здесь рассматриваются и решаются проблемы установления единиц измерения и передачи единиц средствам измерения, разрабатываются методики измерений, производится оценка точности измерений, реализуется принцип единства измерений, осуществляется метрологическое обеспечение производства. Стандартизация – деятельность по установлению норм, требований, положений, выполнение которых обеспечивает экономически оптимальное качество продукции, повышение производительности труда и эффективность использования материальных ценностей при соблюдении требований безопасности. Стандартизация охватывает сферы деятельности, связанной с созданием продукции, осуществлением процессов и обеспечением различных услуг. Она основывается на достижениях науки, техники, опыта и способствует созданию основ настоящего и будущего развития. Нормы, правила, положения, которые разрабатываются и используются при стандартизации, оформляют в виде нормативных документов: стандартов, технических условий, регламентов и др. В областях машино- и приборостроения особенно значимыми являются стандарты основных норм взаимозаменяемости, норм точности, допусков и посадок. Требования к точности, определяющие надежность и эффективность функционирования промышленных изделий, указывают в технической документации, чертежах и обеспечивают выполнение этих требований в производстве. Сертификация – деятельность по проверке соответствия данной продукции, процесса или услуги установленным требованиям. Доказательством такого соответствия является специальный документ – сертификат соответствия, выдаваемый органом по сертификации по правилам определенной процедуры. 3 1 Метрология 1.1 Задачи и основные положения метрологии Основными задачами метрологии, как науки об измерениях, являются: - установление единиц измерения и их воспроизведение в виде эталона; - разработка методик измерений; - оценка точности измерений и устранение причин, снижающих точность; - обеспечение единства измерений и единообразия измерительных средств. Измерение есть процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью технического средства. Измерением устанавливают, сколько единиц измерения 1(х) содержится в измеряемой физической величине х, т.е. х = n1(х), (1.1) где n – количество единиц измерения 1(х) в физической величине. Физической величиной называют свойство физического объекта, которое является общим в качественном отношении для других аналогичных объектов, но отличается количественной мерой. Физические величины – длина, сила тока, площадь и т.д. Единица измерения – величина, которой присвоено числовое значение, равное единице. Целью каждого измерения является нахождение истинного значения хист физической величины, но из-за неизбежных погрешностей результат измерения х отличен от этого значения, т.е. хист = х х, (1.2) где х – диапазон значений, в пределах которого с принятой вероятностью может находиться истинное значение величины. Чем меньше этот диапазон, тем точнее измерение. Одной из важнейших задач метрологии является обеспечение единства измерений и единообразия измерительных средств. Единство измерений означает такое состояние измерений, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений с заданной вероятностью находятся в известных пределах. Все измерительные средства должны быть проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические характеристики соответствовать установленным нормам (единообразие измерительных средств). Учитывая чрезвычайную важность метрологических работ для обеспечения качества продукции, снижения затрат (10% общих затрат составляют затраты на выполнение измерений, а в электронной, радиотехнической и химической промышленности эта доля возрастает до 5060%), недопущения брака, единство измерений устанавливается на государственном уровне: в стране создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). 4 1.2 Государственная система обеспечения единства измерений ГСИ Правовой основой метрологической деятельности является Закон РФ от 27 апреля 1993 г. «Об обеспечении единства измерений». Закон устанавливает следующие основные понятия и их определения (на базе официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии — МОЗМ): единство измерений (см. выше); средства измерении (СИ) — технические устройства, предназначенные для измерения; эталон единицы величины — СИ, предназначенное для хранения и воспроизведения единицы величины (либо ее кратных или дольных значений) с целью передачи размера другим СИ данной величины; государственный эталон единицы величины — эталон, признанный в качестве исходного на территории РФ решением уполномоченного на то государственного органа; нормативные документы по обеспечению единства измерений: государственные стандарты (например, ГОСТ 8.001÷8.098), международные (региональные) стандарты, применяемые в установленном порядке, правила, положения, инструкции и рекомендации; метрологическая служба — совокупность субъектов деятельности и видов работ для обеспечения единства измерений; метрологический контроль и надзор — деятельность, осуществляемая органом Государственной метрологической службы (ГМС) или метрологической службой предприятий (юридических лиц) в целях проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм; поверка средств измерений — совокупность работ, выполняемых органами ГМС (или другими уполномоченными органами и организациями) с целью определения соответствия СИ установленным техническим требованиям; калибровка средств измерений — работы, аналогичные поверке СИ, но осуществляемые для средств измерений, не подлежащих госконтролю и госнадзору. В состав Государственной метрологической службы входят государственные научные метрологические центры, научно-исследовательский институт метрологии и около ста центров метрологии и стандартизации. Государственной метрологической службой (ГМС) руководит Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Имеются также отраслевые и федеральные метрологические службы, а также метрологические службы предприятий, организаций, учреждений, являющихся юридическими лицами. ГМС осуществляет государственный контроль и надзор в области метрологии 5 и измерений. Госконтроль включает: утверждение типа измерения, поверку СИ, лицензирование деятельности юридических или физических лиц по изготовлению и ремонту СИ. Госнадзор осуществляется за количеством товара при торговых операция, при расфасовке и продаже, за выпуском, состоянием и применением СИ, за аттестованными методиками измерений, эталонами, за соблюдением правил измерений. Единство измерений обеспечивается передачей единиц измерений от государственного эталона к рабочим средствам измерения в соответствии с поверочной схемой и периодической поверкой СИ. Поверочная схема — утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от эталона или исходного образцового средства измерения рабочим средствам. Поверочные схемы разрабатываются для каждого типа физических величин и разделяются на государственные, ведомственные (разрабатываются органами ведомственной метрологической службы) и локальные (для предприятий, имеющих право поверки СИ). Например, передача единицы длины (поверка СИ) происходит по (примерной) следующей схеме: Гос. эталон метра ↓(↑) Рабочий эталон длины ↓(↑) Образцовые меры высшего 1-го разряда ↓(↑) Образцовые меры (приборы) II-V разрядов ↓(↑) Рабочие средства измерения На каждой ступени передачи размеров точность понижается в 1,6÷3 раза. В обратном порядке происходит поверка СИ. Образцовыми называют средства измерения, предназначенные только для передачи размера (и поверки СИ низких ступеней) по поверочной схеме. На основании результатов поверки СИ принимается решение (и выдается документ о поверке) о возможности использования данного средства. Основной ГСИ является эталонная база РФ, которая включает 1176 государственных первичных и специальных эталонов. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии руководит также деятельностью следующих служб: 1. Государственной службой времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ); 2. Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и 6 материалов (ГССО); 3. Государственной службой стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД). К основным видам метрологической деятельности кроме поверки и испытания измерительных средств относят также метрологическое обеспечение производства. На промышленных предприятиях, где и осуществляется основное использование СИ, организация метрологического обеспечения производства возлагается на метрологическую службу (МС) предприятия, организации, учреждения. Метрологическое обеспечение предприятий включает: анализ состояния измерений; установление номенклатуры измеряемых величин и использование СИ соответствующей точности; проведение поверки и калибровки СИ; разработку методик измерения; метрологическую экспертизу конструкторской и технологической документации; использование государственных, отраслевых, производственных нормативных документов; аккредитацию на право поверки; проведение метрологического надзора. Право поверки измерительной техники предприятия может быть предоставлено, кроме государственных служб, аккредитованным службам юридических лиц. Для аккредитации назначается комиссия из представителей НИИ по данному виду измерений и представителя центра стандартизации и метрологии, которая проверяет условия работы образцовых приборов, мер, квалификацию персонала и т.д.; проводит контрольные испытания, по результатам которых решается вопрос об аккредитации (компетенция Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии) и выдается сертификат. Если СИ не подлежит госповерке (перечень таких СИ утверждается Федеральным агентством), то результат контроля называют калибровкой, которая удостоверяется калибровочным знаком или сертификатом о калибровке. Деятельность МС предприятия оказывает существенное влияние на качество продукции и процессов, поэтому МС является составной частью системы качества предприятия по ИСО 9000. Порядок и процедуры метрологического обеспечения определяются стандартами организаций (СТО) или (СТП), в которых предусматриваются: обеспечение подразделений предприятия контрольно-измерительным и испытательным оборудованием, его учет и регистрация; выбор средств измерения, их характеристик и точности; аттестация СИ, калибровка и надзор за состоянием; ремонт СИ; документирование результатов аттестации, поверки, контроля и ремонта; 7 порядок и условия выдачи, эксплуатации и хранения СИ. Административную ответственность за нарушение правил законодательной метрологии несут руководители и должностные лица, по вине которых допущены нарушения. Взыскания налагаются в виде штрафа. Основанием для взыскания являются: несоблюдение правил метрологии при продаже и расфасовке товара, несоблюдение правил поверки СИ, воспрепятствование проведению метрологического контроля и надзора уполномоченными органами (инспекторами ГМС). Уголовная ответственность (в виде крупных штрафов и других экономических санкций, лишение свободы) наступает в случае применения непроверенных или непригодных СИ в розничной торговле, сферах общественного питания, здравоохранения, охраны окружающей среды, обеспечения безопасности. 1.3 Единицы физических величин Определение единицы физической величины дано в разделе 1.1. Единицы величин разделяют на основные и производные. Последние образуются с помощью уравнений между основными величинами. Совокупность принятых единиц образует систему единиц. Например, ранее в России использовались следующие единицы величин: верста, сажень, аршин, фут, дюйм, линия, точка, сотка и др., в Англии — ярд, фут, дюйм, кабельтов и др., в Америке — галлон, баррель и др. Единица длины — метр, являющейся основной метрической системы, появился во Франции в XVIII веке. Специальная комиссия Национального собрания Франции в 1790 г. предложила принять за единицу длины одну сорокамиллионную часть меридиана, проходящего через Париж, и назвать его метром (так называемый «естественный» эталон). В результате измерений указанная часть меридиана были воспроизведена в виде линейки из платины («архивный» метр). В 1889 г. Первая Генеральная конференция по мерам и весам окончательно утвердила международные прототипы метра (за основу был взят архивный метр) и килограмма, копии которых были распределены между странами, присоединившимися к Метрической конвенции. России достались копии метра № 28 и № 11. Эталон и копии метра представляют собой стержни Х — образного сечения из платиноиридиевого сплава (Pt 90%, Ir 10%) с нанесенными по краям штрихами. Точность воспроизведения метра с помощью такого эталона ~ 10-7 м. Развитие интерференционных методов измерения, а также применение для измерений так называемых плоскопараллельных концевых мер длины привели к появлению иных эталонов длины в виде заранее обусловленной суммы волн излучения. В 1960 г. метр считался равным 1650763,73 длины волны излучения атомов криптона (Kr86), позже появился «лазерный» метр, который воспроизводится в виде набора длин волн излучения гелий-неонового лазера с точностью на два порядка выше. Сейчас метр - длина, проходимая светом в вакууме за 1/299792458 с. 8 Эталон длины соответствует современным требованиям к измерениям в геодезии, картографии, навигации, радиоэлектронике, машиностроении и др. В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, кельвин, свеча) практической системы единиц СИ (SI — начальные буквы наименования Systeme International di Unites). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и 27 производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. Основные единицы приведены в таблице 1., приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц измерения – в таблице 2. Таблица 1 - Основные единицы физических величин Физическая величина Единица измерения Сокращенное обозначение единицы Русское Международное Длина метр м m Масса килограмм кг kg Время секунда с s Сила электрического тока ампер А A Термодинамическая температура кельвин К K Сила света кандела кд cd Количество вещества моль моль mol Таблица 2 - Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц измерения Множитель Приставка Обозначение приставки Русское Международное Множитель Приставка Обозначение приставки Русское Международное 1018 экса Э E 10-1 деци д d 1015 пета П P 10-2 санти с c 1012 тера Т T 10-3 милли м m 109 гига Г G 10-6 микро мк μ 106 мега М M 10-9 нано н n 103 кило к k 10-12 пико п p 9 Продолжение таблицы 2 Множитель Приставка Обозначение приставки Русское Международное Множитель Приставка Обозначение приставки Русское Международное 102 гекто г h 10-15 фемто ф f 101 дека да da 10-18 атто а A Например. Микрометр (микрон) мкм = 10-6 метра Определение метра дано ранее. Килограмм — масса международного прототипа килограмма. Секунда — 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133. Ампер — сила неизменяющегося тока при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенными на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, которая вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2ּ10-7 Н. Кельвин — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде 12 массой 0,012 кг. Кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540ּ1012 Гц при определенной силе света. Производные величины получают из основных с помощью алгебраических действий. Некоторым из них в системе СИ присвоены собственные названия. Например, единица силы — Ньютон: 1Н = 1Мּ1L/Т2 = МLТ-2, (1.3) где М — dimּm (размерность массы, dim от лат. dimension — измерение), L — dimּL (размерность длины), T — dimּТ (размерность времени). В России действует ГОСТ 8.417-2002, в соответствии с которым обязательно использование системы СИ. На международных документах и на шкалах приборов допускается использовать только международные обозначения. Во внутренних документах или публикациях используют международные или русские обозначения. 1.4 Классификация средств измерений Средства измерений разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные установки (системы), измерительные принадлежности, приборы и инструменты. Мера – средство измерения, предназначенное для хранения и воспроизведения 10 физической величины определенного размера. Например, линейки, рулетки, гири, плоскопараллельные концевые меры длины, угловые меры и т.д. Меру государственного масштаба называют эталоном. Измерительные преобразователи – средство, предназначенное для преобразования измерительной информации в форму, удобную для хранения и воспроизведения (не для непосредственного восприятия). Измерительная установка (система) – группа средств измерения, объединенных по функциональному признаку, со вспомогательными устройствами. Предназначена для непосредственного восприятия оператором измерительной информации (измерительная система – для обработки информации, передачи, использования в управлении, контроле, диагностике и т.п.). Измерительные принадлежности – вспомогательные устройства средств измерения. Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. Приборы могут быть оснащены шкалами (аналоговые приборы) и цифровыми табло (цифровые приборы). Простейшие средства измерения линейных и угловых параметров называют инструментами. Универсальными называют инструменты и приборы, предназначенные для измерения геометрических параметров деталей простых форм (в виде комбинаций цилиндров, конусов, плоскостей и др.). Специальными – для измерения параметров деталей сложных форм: резьбовых, шлицевых, зубчатых и др. По числу одновременно проверяемых параметров измерительные средства могут быть одномерными и многомерными; по степени механизации – неавтоматическими, полуавтоматическими и автоматическими. В таблице 1 показаны основные виды инструментов и приборов для линейных измерений. Таблица 3 – Универсальные и специальные инструменты и прибор для линейных измерений Универсальные Инструменты Штангенинструменты (0,10,05) Микрометрические инструменты (0,01) Специальные Зубомеры, резьбовые, листовые, трубные микрометры (0,01) Продолжение таблицы 3 11 Универсальные Механические (0,010,0001) Специальные Приборы Для измерения параметров зубчатых колес измерения параметров Оптико-механические и Для (двойной проекционные (0,010,0005) шероховатости микроскоп, интерференционный микроскоп и др.) Пневматические (0,0010,0005) Прочие (ультразвуковые, лазерные и др.) Примечание. В скобках указаны возможные цены деления (в мм) инструментов и приборов В заводской практике часто используются также технические средства, называемые калибрами. Калибры – бесшкальные средства, предназначенные для контроля отклонений размеров, форм и взаимного расположения частей изделия. Калибры не дают числового значения физической величины, но позволяют рассортировать партию деталей на “годные” и “брак”. Например, в машиностроении широко применяются предельные калибры (ограничивают предельные размеры изделий): пробки для отверстий (рисунок 1) и скобы для валов. Предельные калибры имеют проходную (ПР) и непроходную (НЕ) стороны (см. рисунок 1), соответствующие наименьшим и наибольшим предельным размерам годной детали. Проходная сторона калибра – пробки (см. рисунок 1) должна входить в годное отверстие втулки, а непроходная – нет. Таким образом, используя калибр, легко определить – является ли изделие годным или браком (исправимым или неисправимым). Рисунок 1 - Предельная калибр-пробка для контроля отверстия 44Н7(+0,025) 1.5 Методы измерений 12 Методы измерений определяются средствами и условиями измерений. Они характеризуют правила и совокупность приемов использования измерительных средств. При измерениях линейных и угловых параметров принято различать восемь попарно противоположных методов: абсолютный – относительный, прямой – косвенный, контактный – бесконтактный, поэлементный – комплексный. Абсолютный метод (непосредственной оценки) – метод измерения, при котором полное значение величины определяют непосредственно по шкале прибора. Например, измерение длины линейкой, диаметра штангенциркулем, гладким микрометром, длиномером. Относительный метод (сравнения с мерой) – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. По шкале прибора определяют отклонение (а не размер!) величины от величины меры, с помощью которой прибор был настроен на нуль. Например, измерение диаметра микрокатором. Сначала прибор настраивают на нуль, используя блок плоскопараллельных мер, затем измеряют отклонение. Прямой метод – метод измерения, при котором значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных (измеряя эту величину). Например, измерение диаметра штангенциркулем. Косвенный метод – метод измерения, при котором значение искомой величины находят по результатам измерения другой величины, связанной с искомой определенной зависимостью. Например, определение диаметра (d) химического аппарата по результатам измерения длины (L) его окружности рулеткой. Тогда, d = L/. Предположим, что мы измеряем величину Х с погрешностью и рассчитываем величину У, используя зависимость: У = f(X). Погрешность У равна: df У dxΔX. (1.3) Если искомое значение У определяется по результатам измерения величин х 1 ... х2...хn: У = f(х1...х2... хn), то погрешность У можно определять как: n f У x Δx; (1.4) или, при вероятностном (квадратичном) суммировании 13 f 2 Δ у Δx . x n 2 (1.5) Как следует из выражений (1.3), (1.4), (1.5), в случае малости производных погрешность искомой величины может быть меньше погрешностей измеряемых величин. Контактный метод – метод измерения, при котором измерительная поверхность (измерительный наконечник) прибора касается детали. Возникает измерительная сила R. Например, R при измерении гладким микрометром R = 5. Бесконтактный метод – нет контакта измерительной поверхности прибора и детали. Например, измерение параметров резьбы на большом инструментальном микроскопе. Поэлементный метод (контроля) характеризуется измерением каждого параметра детали в отдельности. Например, измерение среднего и внутреннего диаметров, отклонений шага и угла профиля болта на большом инструментальном микроскопе. Комплексный метод (контроля) позволяет оценивать годность детали одновременно по нескольким параметрам, при этом контролируют предельные контуры детали или условную сумму погрешностей параметров. Например, контроль резьбы резьбовыми калибрами. 1.6 Метрологические характеристики измерительных средств ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормированные метрологические характеристики средств измерения» устанавливает шесть групп метрологических характеристик: - характеристики, предназначенные для определения результатов измерения; - характеристики погрешностей; - показатели, характеризующие чувствительность к влияющим величинам; - динамические характеристики; - характеристики, отражающие взаимодействие средства и объекта измерения; - информационные параметры выходного сигнала. Наиболее часто пользователями выделяются следующие основные характеристики (показатели). Цена деления шкалы (с) – разность значений величин, соответствующим двум соседним отметкам (штрихам) на шкале. Цена деления определяет наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по целым деления шкалы. Например, цена деления гладкого микрометра с = 0,01 мм. 14 Длина деления шкалы (а) – расстояние между серединами соседних штрихов (отметок) на шкале. Например, а = 1 мм. При малых значениях а шкала плохо различима. Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями. Например, диапазон показаний микрокатора 0,03=0,06 мм. Следовательно, партию изделий, разность между наибольшим и наименьшим размерами которых превышает 0,06 мм, измерить с одной настройкой на нуль по концевым мерам невозможно. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, в пределах которой установлены допускаемые погрешности средства измерений. Наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений называют пределами измерений. Например, у гладкого микрометра диапазон измерений 0-25 мм, 25-50 мм и т.д. Измерительная сила – сила воздействия измерительного наконечника на измеряемый объект в зоне контакта. Например, измерительная сила гладкого микрометра (5 2)Н. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного средства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. У большинства приборов для линейных измерений чувствительность численно равна передаточному отношению прибора – отношению перемещения указателя стрелки по шкале к соответствующему изменению измеряемой величины (или перемещению измерительного наконечника). Например, при перемещении измерительного наконечника микрокатора на 1 мкм (с=1 мкм) стрелка переместится на одно деление шкалы (а=1 мм). Следовательно, чувствительность микрокатора равна с=1/0,001= 1000. 1.7 Погрешности измерений При измерениях деталей возникают погрешности, т.е. результат измерения отличается от истинного значения измеряемой величины. Различают погрешность самого измерительного средства и погрешность измерения. Последняя включает в себя погрешность средства и ряд дополнительных погрешностей. Абсолютной погрешностью измерительного прибора называют разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины. Для каждого средства измерения задается предел допускаемой погрешности – наибольшая (без учета знака) погрешность средства, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. При поверке средства измерения органами метрологической службы определяют погрешности средства измерения, и устанавливается его пригодность к применению. В зависимости от предела допускаемой погрешности средствам измерения присваивается определенный класс точности. Погрешность измерительного средства обусловлена неточностью параметров деталей, погрешностями сборки, износом и т.д. В свою очередь 15 погрешность результата измерений складывается из погрешностей средства измерения, погрешности установочной меры или блока мер, с помощью которых прибор настраивается на нуль, погрешности метода измерений, погрешности, вызванной отклонением температуры от нормальной равной 20 0С, погрешности, появляющейся из-за нестабильности измерительной силы, погрешностей отсчета, макро- и микрогеометрии поверхностей детали и др. В стандартах приводятся метрологические показатели: систематическая и случайная составляющие погрешности, динамические характеристики и другое. Показатели, характеризующие точность измерений, и формы представления результатов измерений также должны соответствовать стандартам. Например, точность измерений характеризуется интервалом значений, в пределах которого с заданной вероятностью находятся суммарная погрешность измерений, систематическая погрешность и т.д. Перечень погрешностей, влияющих на точность измерений, показывает, что на результат измерения влияет большое число факторов. Каждая из указанных погрешностей в зависимости от характера проявления может быть случайной или систематической. Систематической называется составляющая погрешности измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Например, погрешность нульпункта штангенциркуля. Систематические погрешности относительно просто выявляются и устраняются. Случайной погрешностью называют погрешность, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Эти погрешности непостоянны по величине и знаку. Конкретное значение случайной погрешности предсказать невозможно. Эти погрешности в свою очередь вызваны целым комплексом факторов, среди которых нет доминирующих. Взятые в совокупности случайные погрешности подчиняются определенным законам распределения. Как показывает практика измерений, наиболее часто встречается нормальный закон (закон Гаусса). Нужно иметь в виду, что деление на систематические и случайные не является абсолютным. Одна и та же погрешность в одних условиях проявляет себя как систематическая, в других – как случайная. Систематические погрешности можно устранить ( сист. 0). Случайные же погрешности полностью устранить невозможно. Значения их можно уменьшить, принимая меры для большей стабилизации тех факторов, которые оказывают влияние на данную погрешность. Например, для уменьшения погрешности измерения следует стабилизировать измерительное усилие, уменьшить колебание температуры и т.д. Таким образом, влияние систематической погрешности проявляется при повторных измерениях одной и той же величины в том, что результат измерения будет отличаться от “истинного” размера на постоянное значение. Случайные погрешности будут проявлять себя в рассеивании результатов измерения на некотором участке. Если произвести массовые измерения каким-либо прибором диаметра вала, то можно заметить, что различные значения результатов появляются 16 неодинаково часто. На графике зависимости частость получения размера – размер получится колоколообразная фигура (т.н. полигон или гистограмма распределения) (рисунок 2). Рисунок 2 - Полигон распределения размеров Рисунок 3 – Кривая нормального распределения случайной величины Характер эмпирических значений случайной величины (действительного размера) часто соответствует теоретическому закону – нормальному закону (закону Гаусса, рисунок 3). Эта зависимость возникает обычно, если на случайную величину 17 (действительный размер) оказывает влияние большое количество факторов, ни один из которых не является превалирующим. Соответствие эмпирического распределения предполагаемому теоретическому закону проверяется с помощью различных критериев: хu –квадрат 2, Колмогорова, Пирсона и др. Кроме нормального закона в машиностроительной практике используются и другие. Из графика кривой нормального закона следует: 1) Наиболее часто при измерениях встречаются значения, близкие к среднему x . 2) Чем больше отличаются значения от среднего, тем реже они встречаются. Среднее значение (математическое ожидание) x характеризует условно “истинный” размер детали. Другие же размеры при измерении появляются под влиянием случайных ошибок измерения. Чем больше размер отличается от среднего, тем больше ошибка измерения, тем реже она встречается. 3) Из симметричности кривой следует, что положительные (увеличивающие действительный размер) и отрицательные (уменьшающие) случайные ошибки, одинаковые по модулю, встречаются одинаково часто. Теоретически кривая нормального распределения расположена от - до +, но действительные размеры, значительно отличающиеся от среднего, встречаются очень редко (плотность вероятности близка к нулю). Поэтому для практических целей принимают, что диапазон изменения действительных размеров равен 6(). Иначе говоря, в пределах будет расположено 99,73% всех значений действительных размеров, т.е. вероятность получения размера в пределах равна 0,9973. Вероятность получения размера, отстоящего от среднего значения (“истинного” размера) более, чем на , мала, и составляет (10,9973)/2=0,0027/2=0,00135. Математическое ожидание (условно “истинный” размер) размера Х равно: xxf M xdx , (1.6) где f(x) – функция плотности вероятности размера. При измерении в лаборатории среднее арифметическое значение (близкое к Мх), рассчитывается по формуле n (x) , xx M i 1 (1.7) n где n – количество измерений. Параметр называется средним квадратичным отклонением (или средней квадратичной ошибкой): 18 f σ x M x x dx . 2 (1.8) При измерениях в лаборатории (при n>30 измерений): n σ x x . 2 i 1 (1.9) n При выборке, менее 30 измерений: n σ x x , 2 i 1 (1.10) n1 где хi – действительный размер, полученный при измерении. Параметр характеризует точность измерений: меньше - выше точность измерений. Как следует из рассмотренного, наибольшая (предельная) ошибка измерений равна 3. Приборы и инструменты конструируются таким образом, чтобы предельная ошибка не превышала цены деления (кроме приборов для измерения деталей с большими размерами). Таким образом, если мы имеем полученный в результате измерения размер детали Х, то при отсутствии систематической погрешности, можно утверждать, что с вероятностью Р = 0,9973 “истинное” значение размера (Хист) находится в пределах Х3. При изменении вероятности доверительный интервал будет иным. В общем случае: Хист = X tσ , (1.11) где t зависит от принятой вероятности (для нормального закона при Р = 0,9973 t= 3). При малом числе измерений значение t принимают в зависимости от доверительной вероятности по закону Стьюдента. Необходимо иметь в виду, что “истинное” значение Хист нам неизвестно, т.к. в результате измерений мы можем рассчитать лишь его оценку. X лишь Среднее арифметическое значение приблизительно равно математическому ожиданию (“истинному” размеру), т.е. X MX при n (1.12) Для оценки погрешности среднего арифметического используем известную теорему о дисперсии суммы независимых случайных величин: n n X D X D i i . 1 1 (1.13) 19 Отсюда: 2 2 σ σ 2 n D X σ 2 X n n или σX σ . n (1.14) σX σ . n1 (1.15) При малых выборках: Таким образом, средняя квадратичная ошибка среднего арифметического зависит от количества измерений (n) и будет тем меньше, чем больше n. Границы доверительного интервала математического ожидания лежат в пределах: 3 σ 3 σ X M X X n n (1.16) X z σ M X X z σ , X X (1.17) или, в общем случае, где z – коэффициент, зависящий от принятой вероятности и закона распределения (при количестве измерений n более 30 – нормальный закон, при n<30 – закон Стьюдента). При необходимости (например, при округлении размера в пределах одного деления шкалы) используют закон равной вероятности, при котором плотность вероятности f(X) постоянна на всем протяжении изменения параметра (рисунок 4). 20 21 Рисунок 4 – График плотности вероятности равномерного (равновероятного) распределения Математическое ожидание (среднее арифметическое) размера М(Х) для равномерного распределения равно (см. рисунок 4): a b X X M , 2 (1.18) и среднюю квадратичную ошибку рассчитывают по выражению: σab/23. (1.19) При расчетах средних арифметических и средних квадратичных ошибок из результатов измерений необходимо исключить грубые ошибки (промахи), используя критерии 3, Стьюдента, Райта и др. Таким образом, точность измерений выражают: - интервалом, в котором с заданной вероятностью находится суммарная погрешность измерения lim: 2 2 Δ Δ Δ , lim сист случ сист. – систематическая погрешность измерения; случ. – случайная погрешность измерения; - функциями распределения случайных (и систематических необходимости) погрешностей измерения. (1.20) – при 1.8 Конструктивные и метрологические характеристики средств линейных и угловых измерений 1.8.1 Плоскопараллельные концевые меры длины Плоскопараллельные концевые меры длины (плитки) представляют собой стальные бруски (закаленные), имеющие форму прямоугольных параллелепипедов. Две противоположные рабочие стороны тщательно и точно обработаны и определяют размер меры. Эти меры составляют основу линейных измерений в машиностроении и широко используются в лабораторной и производственной практике. Концевые меры предназначены для: - обеспечения единства измерений и передачи размера от эталона длины до 22 рабочих средств измерения и, далее, изделий; - установки приборов на нуль при относительных измерениях; - градуировки шкал и проверки точности (поверка) приборов и инструментов; - измерений размеров и разметки точных деталей; - настройки на размер станков, приспособлений и т.д. За основной размер концевой меры принимают ее срединную длину L, т.е. длину перпендикуляра, опущенного из середины рабочей стороны к плоскости, к которой плитка притерта. Номинальный размер срединной длины указывается на боковой стороне. Наибольшая по абсолютной величине разность между срединной длиной L и длиной плитки в любой другой точке Li определяет вторую характеристику меры – отклонение от плоскопараллельности, т.е. отклонение от плоскости + отклонение от параллельности рабочих сторон – max/L-Li/. Абсолютно одинаковыми концевые меры, как и другие изделия, изготовить невозможно, поэтому и погрешности срединной длины и отклонения от плоскопараллельности имеют очень малые, но вполне определенные значения. В зависимости от точности изготовления, т.е. отклонений срединной длины и отклонений от плоскопараллельности плитки выпускаются следующих классов точности: 00, 0, 1, 2, 3 – точность убывает. Для плиток, которые были в эксплуатации, дополнительно установлены 4 и 5 классы точности. Плитки очень точного класса 00 выпускаются по особому заказу. Каждый класс характеризуется установленными для него допустимыми отклонениями. Например, для плиток с размерами до 10 мм отклонения равны (таблица 2): Таблица 4 – Характеристики точности изготовления плоскопараллельных мер до 10 мм (в мкм) Класс Отклонения от номинала Отклонения от плоскопараллельности 0 0,1 1 0,2 2 0,4 3 0,8 4 2 5 4 0,09 0,16 0,3 0,3 0,6 0,6 Концевые меры обладают свойством притираемости (сцепляемости), т.е. при небольшом перемещении рабочих сторон плиток и под небольшим давлением от руки, концевые меры прочно сцепляются. Это важное свойство объясняется молекулярным взаимодействием в условиях высокой плоскостности, малой шероховатости и наличием на поверхностях тонкой масляной пленки (0,02 мкм). Между притертыми концевыми мерами практически нет зазора (он значительно меньше погрешностей изготовления), поэтому размер нескольких притертых концевых мер (блока плиток) равен сумме размеров этих мер. 23 Погрешность блока концевых мер будет обусловлена погрешностями отдельных плиток. Существуют определенные правила составления блоков: - в блоке не более 45 мер (иначе сказываются погрешности изготовления и зазоры между мерами); - меры необходимо притирать; - собирать блок начинают, обеспечивая получение последнего значащего числа (тысячные доли миллиметра, затем – сотые и т.д.), Если отклонения от номинального размера для подобранных мер 1 класса соответственно равны 0,2 мкм, то погрешность блока, например, из 4-х концевых мер, не превысит 40,2=0,8 мкм. Погрешность, как видно, достаточно велика. Следовательно, если с помощью этого блока какой-либо прибор будет настроен на нуль, то результат измерения будет иметь погрешность за счет блока порядка 0,8 мкм, что может оказаться недопустимым. Поэтому для повышения точности измерения вводят для концевых мер так называемые разряды: 1, 2, 3, 4, 5. Тот или иной разряд устанавливают для концевой меры в зависимости от предельной погрешности аттестации (измерения плитки в стандартных условиях) и, конечно, допускаемого отклонения от плоскопараллельности. Например, 1 разряд присваивают мере, если ее действительный размер был получен сличением с рабочим эталоном длины, 5 разряд – на оптиметре. Понятно, что действительные размеры плиток будут установлены с различной точностью в зависимости от использованного средства измерения и метода (эталон или оптиметр). Например, для мер до 10 мм пределы допускаемых погрешностей измерения длины плитки и отклонения плоскопараллельности показаны в таблице 3. Таблица 5 - Характеристики разрядов плоскопараллельных концевых мер длины до 10 мм (в мкм) Разряд Пределы допускаемых погрешностей измерения Допускаемые отклонения от плоскопараллельности 1 2 3 0,02 0,06 0,11 0,1 0,1 0,16 Измеренный (действительный) размер концевой меры указывается в документе-аттестате. Таким образом, применяя концевые меры по разрядам, мы получаем большую точность (в сравнении с применением мер по классам) за счет того, что используем действительные, а не номинальные значения, а также за счет того, что погрешности аттестации значительно меньше погрешностей изготовления. Концевые меры выпускаются определенными наборами (112, 83, 38, 19, 10, 4 шт.) с градациями размеров через 10; 0,5; 0,1; 0,01; 0,001 мм. Таким образом, можно собирать блоки с размерами через 0,001 мм. 24 Для расширения возможностей применения к концевым мерам выпускаются наборы принадлежностей, с которыми студенты познакомятся при проведении лабораторных работ. Угловые меры – предназначены для измерения углов методом сравнения и для поверки угломерных приборов. Угловые меры выпускают пяти типов – с одним, тремя и четырьмя рабочими гранями и в виде многогранных призм. Применяют как одиночные меры, так и блоки (для чего меры притирают). Притирочный слой не вносит дополнительной погрешности в суммарный размер блока. Выпускают угловые меры в виде отдельных мер и комплектами (93, 33, 24, 8, 7, 3) четырех классов точности (разрядов нет): 00, 0, 1, 2. В классе 00 предельная погрешность рабочего угла 2”, 0 класса - (3”-5”); 1 10”; 2 - 30”. 1.8.2 Штангенинструменты и микрометрические инструменты Штангенинструменты предназначены для измерений наружных, внутренних размеров, высот, глубин и разметки с точностью 0,1; 0,05 мм. Штангенинструменты разделяются на штангенциркули, штангенглубиномеры и штангенрейсмасы. Используются также специальные штангенинструменты (зубомер). В любой конструкции инструмента используются для отсчета долей миллиметра устройство, называемое нониусом. Принцип нониуса был предложен в 1631 г. французским математиком П.Вернье (верньер). На основной шкале инструмента отсчетные деления расположены через 0,5 или 1 мм. Параллельно основной шкале перемещается линейка со шкалой нониуса. В приборостроении используются несколько типов нониусов: линейный, угловой, спиральный, трансверсальный. На шкале нониуса (рисунок 5) штрихи нанесены на ином расстоянии и так, что интервал деления нониуса (а) меньше интервала деления (а) (или 2-х, 3-х и т.д. интервалов) основной шкалы на цену деления с. 25 Рисунок 5 – Принцип линейного нониуса Таким образом, если нулевой штрих нониуса совпадает с каким-либо миллиметровым штрихом основной шкалы, то первый (не нулевой!) штрих нониуса будет отставать от следующего штриха основной шкалы на цену деления c , второй – на 2c и т.д., пока не накопится отставание, равное интервалу деления основной шкалы, т.е. а. Тогда требуемой число делений (n) шкалы нониуса равно: N = a/c, (1.21) где а – длина делений основной шкалы (а = 1 или 0,5 мм); c – цена деления нониуса. Длина L шкалы нониуса равна: L=an, (1.22) где а - длина деления шкалы нониуса. Можно построить нониус, штрихи которого отстают на каждые два штриха основной шкалы (модуль нониуса =2), на 3 () и т.д. Тогда: а = а с. (1.23) Тот же принцип используется во всех типах нониусов. Штангенциркули выпускаются 3- типов (С = 0,1 и 0,05 мм) для измерения наружных и внутренних размеров и разметки (можно провести окружность, как циркулем, поэтому – штангенциркуль) с пределами измерения 4000 мм. Штангенглубиномеры (с пределами до 500 мм) предназначены для измерения глубин, высот, уступов. Штангенрейсмасы (с пределами измерения до 2600 мм) используются для разметки и измерений высот деталей при установке их на разметочных плитах, т.к. одна измерительная поверхность инструмента является нижней плоскостью основания. Микрометрические инструменты предназначены для измерения наружных, внутренних размеров, высот, уступов с точностью 0,01 мм. В этих инструментах 26 используется винтовая пара (микрометрический винт и гайка), с помощью которой вращательное движение винта преобразуется в поступательное. За один оборот винт перемещается на величину шага резьбы Р. Если на барабане или иной детали, жестко связанной с винтом, нанести по окружности через равные промежутки n делений, то повороту винта на 1 деление будет соответствовать его продольное перемещение на 1/Р мм. Отсюда цена деления микрометрических инструментов равна: с = Р/n. (1.24) При Р = 0,5 мм и n = 50 делений с = 0,5/50 = 0,01 мм. В последнее время появились инструменты, которые только условно можно отнести к штанген- и микрометрическим инструментам. Фактически это электронные приборы с цифровым отсчетом, табло на жидких кристаллах и выводом на цифропечатающее устройство. Они имеют меньшую цену деления и, соответственно, более высокую стоимость. Наряду с такими приборами, выпуск простейших инструментов продолжается во многих странах. Микрометрические инструменты разделяются на универсальные – гладкий микрометр, микрометрический глубиномер и нутромер и специальные – листовой, трубный, резьбовой микрометры и другие. Гладкие микрометры выпускаются обычно с диапазоном измерения 25 мм и пределами измерения до 600 мм (0-25, 25-50 и т.д.). Они предназначены для измерения абсолютным методом наружных размеров. Основные части: скоба, неподвижная пятка, микрометрический винт, стебель, барабан с 50 делениями, трещетка. На стебле нанесены 2-а ряда штрихов через 1 мм, причем один ряд смещен относительно другого на 0,5 мм (т.к. шаг винта 0,5 мм). Один ряд показывает число целых миллиметров, второй штрих полумиллиметровый. Инструмент имеет достаточно малую цену деления, поэтому для уменьшения погрешности измерения необходимо стабилизировать измерительную силу. Это обеспечивается с помощью предельной муфты – “трещетки”. Измерительная сила 52Н, Погрешность показаний составляет от 3 мкм до 10 мкм (в зависимости от размера). Микрометрические нутромеры предназначены для измерения внутренних размеров, начиная от 50 мм до 10000 мм. По устройству нутромеры сходны с гладкими микрометрами – имеют винтовую пару и две шкалы (на стебле и барабане). Рабочий ход винта нутромера (для уменьшения его размера в свинченном положении) составляет 13 мм, шаг микрометрического винта 0,5 мм. Пределы измерения (50-63) мм или (75-88) мм. Пределы могут быть увеличены за счет удлинителей. ”Трещетка” у нутромеров отсутствует. Микрометрические глубиномеры предназначены для измерения абсолютным методом глубин отверстия, пазов, уступов и т.д. до 500 мм. В отверстие микровинта глубиномера устанавливаются сменные измерительные стержни (для измерения от 0 до 25, 25-50, 50-75 мм) с измерительными поверхностями на торце. 27 Все микрометрические инструменты перед измерениями необходимо проверять на нуль-пункт. Для этого можно использовать плоскопараллельные концевые меры или установочные меры (стержни и кольца для гладких микрометров, скобы – у нутромеров, “трубчатую” меру у глубиномеров). Специальные микрометрические инструменты используют для измерений параметров резьбовых и зубчатых деталей, толщин листов и стенок труб. Резьбовой микрометр применяют для измерения среднего диаметра наружной резьбы с помощью сменных вставок. Одна вставка имеет коническую форму с углом профиля резьбы, другая – вилкообразный профиль. Таким образом, измерительные поверхности вставок устанавливаются по боковым сторонам профиля. Листовой микрометр отличается от гладкого наличием удлиненной скобы и диска с делениями (вместо барабана). Трубный микрометр имеет не плоскую, а шаровую измерительную поверхность. Зубомерный микрометр со специальными измерительными наконечниками применяется для измерения общей нормали зубчатых колес. 1.8.3 Измерительные приборы В промышленности используются для линейных и угловых измерений механические, оптико-механические, пневматические, электрические и прочие (лазерные, ультразвуковые и т.д.) приборы. Прослеживаются тенденции в конструировании приборов – переход к экранным и цифровым отсчетам, широкое использование электронных схем для обработки экспериментальных данных и выхода на цифросчитающие устройства и ЭВМ, ЭЦВМ, применение приборов “обратной связи” с целью регулировки и обеспечения точности в процессе обработки (активный контроль), автоматизация средств контроля, повышение надежности, точности (и стоимости!). Механические приборы. Достоинства: дешевы, просты в эксплуатации, мобильны, не требуют подвода энергии, некоторые достаточно надежны и точны. Недостатки: невысокая точность, влияние механического износа на точность, инерционность, значительная измерительная сила, малая производительность контроля. Механические приборы разделяют на рычажные, зубчатые, рычажно-зубчатые, с пружинной передачей. К рычажным относят приборы в которых малое перемещение измерительного наконечника увеличивается (усиливается) с помощью неравноплечного рычага. Передаточное отношение прибора равно отношению длин рычагов и достигает значения 1000. К подобным приборам относится ранее выпускавшийся миниметр с ценами деления 1, 2, 5, 10 мкм для относительных измерений наружных размеров. К приборам с зубчатой передачей относят индикаторы часового типа, которые широко применяются для абсолютных и относительных измерений размеров, 28 перемещений, а также для измерений отклонений формы и взаимного расположения поверхностей (радиального и торцового биений, отклонений от плоскости, от параллельности и т.д.). Индикаторы часто используются в качестве отсчетных устройств в различных приспособлениях и измерительных приборах: индикаторном нутромере, индикаторном глубиномере, толщиномере, индикаторных скобах и т.д. В этом приборе перемещение измерительного стержня с рейкой усиливается (увеличивается) с помощью серии зубчатых передач и показывающая стрелка совершает большие перемещения при малом перемещении стержня (изменении размера деталей). Цена деления прибора 0,01, пределы измерения 0-10, 0-5, 0-3, измерительная сила (0,8-2) Н, погрешность измерения зависит от диапазона перемещения стержня и составляет от 0,002 до 0,01. Индикаторный нутромер широко применяется в заводской и лабораторной практике для относительных измерений внутренних размеров. Он состоит из измерительной части и головки с индикатором часового типа. Индикаторный нутромер показан на рисунке 6. В головке измерительной части имеют подвижный и сменный (на разные пределы измерения) наконечники. Перемещения подвижного наконечника через рычажную систему и стержень передается на измерительный наконечник индикатора и его стрелку. Для совмещения измерительной оси прибора с диаметром отверстия предусмотрен центрирующий подпружиненный “мостик”. Индикаторный нутромер должен быть перед измерением настроен на нуль. Настройка может быть осуществлена по концевым мерам (см. рисунок 6), по детали с известным размером, по штангенциркулю, установленному по концевым мерам, по гладкому микрометру. Рисунок 6 - Настройка индикаторного нутромера на нуль по концевым мерам, установленным в державке Нутромеры такой конструкции выпускают для размеров от 18 до 1000 мм. Для измерений малых размеров (3-6, 6-10, 10-18) применяются нутромеры, в которых вместо рычажной системы используют клиновую или шариковую передачи. Индикаторный нутромер является рычажно-зубчатым прибором, к которым относят также рычажные скобы и микрометры, рычажно-зубчатые измерительные головки, рычажно-зубчатые и многооборотные индикаторы. В этих приборах для усиления (увеличения) входного сигнала (перемещения измерительного стержня) используются зубчатые и рычажные передачи. Рычажная скоба применяется для измерения точных наружных относительным методом. Настраивается с помощью концевых мер. Цена деления – 0,002, пределы измерения 0,02, измерительная сила (72) Н. Пределы измерения 025, 25-50 и т.д. Рычажный микрометр отличается от скобы наличием барабана с 50-ю делениями, как у гладкого микрометра, и позволяет измерять размеры как 29 относительным, так и абсолютным методом. Рычажно-зубчатые головки ИГ, МКМ и многооборотные индикаторы МИГ применяют в основном для тех же целей, что и индикаторы часового типа, если требуется повышенная точность измерения. Цена деления приборов 0,001 и 0,002, диапазон показаний по шкале головок 0,05 и 0,1 одно- и многооборотных индикаторов – 1 и 2 мм. Измерительная сила ~2Н. Приборы с пружинной передачей (микрокатор ИГП, микатор ИПМ, миникатор ИГП, оптикатор – пружинно-оптический прибор) предназначены для точных относительных измерений наружных размеров. Приборы отличаются простотой конструкции, долговечностью (нет изнашиваемых частей), надежностью и высокой точностью. В передаточных механизмах приборов используется скрученная пружинная лента, в центре которой закреплена стрелка (или зеркало у оптикатора). Приборы устанавливаются в вертикальных массивных стойках. Цена деления приборов – 0,1; 0,2; 0,5; 1 и 2 мкм, диапазон показаний 30 делений. Измерительная сила ~ 1,5 Н. Оптико-механические приборы характеризуются высокой точностью, но требуют квалифицированного обслуживания, сложны и дороги. Используются в лабораторной практике и реже в цехах. К ним относятся оптиметры, длиномеры, измерительные и универсальные микроскопы, проекторы, измерительные машины, интерферометры. Оптиметры и длиномеры предназначены для точных измерений деталей, калибров, плоскопараллельных концевых мер 5-го разряда и другое. Вертикальный оптиметр ОВО или ИКВ используют для относительных измерений наружных размеров от 0 до 180 мм. Цена деления – 0,001, диапазон показаний шкалы 0,1, измерительная сила (20,2) Н, погрешность показаний от 0,2 до 0,7 мкм. Устройство прибора основано на принципе оптического рычага. Перемещение измерительного стержня приводит к повороту зеркала и отклонению отраженных от зеркала лучей на удвоенный угол. При этом изображение шкалы (отраженный луч) смещается относительно неподвижного указателя. Прибор предварительно настраивается на нуль по концевым мерам вертикальным перемещением предметного столика. Горизонтальный оптиметр предназначен для относительных измерений наружных и внутренних размеров точных деталей и аттестации концевых мер 5-го разряда. В приборе используется та же трубка оптиметра, что и в вертикальном оптиметре. Пределы измерения прибора – наружных размеров от 0 до 350 мм, внутренних с помощью специальных приспособлений дуг от 13,5 до 150 мм. Остальные характеристики прибора совпадают с данными вертикального оптиметра. Для измерения внутренних размеров от 13,5 до 150 мм используют дуги, надеваемые на трубку оптиметра и пиноль. Перемещения наконечников дуг передаются рычажной системой к измерительному наконечнику оптиметра и наконечнику пиноли. Малые внутренние размеры (1 – 13,5 мм) измеряют с помощью 30 специальной электроконтактной головки. Выпускаются оптиметры с экранными (не окулярными) отсчетами и повышенной точности (цена деления 0,2 мкм). Длиномеры предназначены для абсолютных измерений размеров с высокой точностью (0,1; 0,2; 0,5 и 1 мкм). Они бывают вертикальными и горизонтальными. Вертикальный длиномер используется для измерений наружных размеров от 0 до 200 мм с перестановкой (а по шкале от 0 до 100 мм). Цена деления 0,001, измерительная сила регулируется за счет сменных шайб в пределах 1,2-2 Н, погрешность показаний зависит от измеряемого размера L: (1 + L/200) мкм. Измерительный стержень (пиноль) с укрепленной в нем стеклянной линейкой перемещается в направляющих. Пиноль уравновешена противовесом через блок. На одном конце пиноли находится измерительный наконечник. На стеклянной линейке нанесено с очень высокой точностью 100 штрихов через 1 мм. Когда измерительный наконечник касается стола в окуляре отсчетного устройства виден нулевой миллиметровый штрих. Предварительной настройки на нуль, как понятно, прибор не требует. Отсчетное устройство представляет собой окулярный микроскоп со спиральным нониусом. Горизонтальный длиномер с проекционным экраном предназначен для измерений наружных (0-500 мм) и внутренних (1-13,5 мм электроконтактная головка, 13,5-150 – дуги) размеров. Отсчетные устройства длиномеров одинаковы. Горизонтальный длиномер - продольный компаратор используется в основном для проверки шкал и штриховых мер. В лабораторных работах используются для измерения внутренних диаметров колец. Измерительные машины предназначены для проверки сложных корпусных деталей, точных измерений больших (до 6 метров) длин, расстояний между осями отверстий. Они разделяются на одно-, двух- и трехкоординатные. Однокоординатные измерительные машины имеют жесткую станину, по точным направляющим которой перемещаются при установке пинольная и измерительная бабки. Измерительная бабка включает отсчетный микроскоп и оптиметр. Измеряемая деталь устанавливается на столике или в люнетах. Отсчет результатов измерения производится после установки машины на нуль по отсчетному микроскопу и оптиметру до 0,001 мм. В настоящее время в промышленности используются трехкоординатные измерительные машины. В этих машинах перемещения измерительного стержня с наконечником по трех координатам указываются с точностью 0,5 мкм на цифровом табло. Для отсчета перемещений по координатам применяют растровые системы. Растры имеют 200 штрихов на 1 мм. Один растр (длинный) неподвижен, второй (короткий) – перемещается с подвижной частью машины. Штрихи растров расположены под малым углом, поэтому при наложении растров образуются муаровые полосы (затемнения). При малом рабочем перемещении короткого растра в продольном направлении муаровые полосы значительно смещаются в поперечном 31 направлении. С помощью фотоэлемента и цифрового счетчика определяется число пройденных муаровых полос и соответствующее продольное рабочее перемещение измерительного стержня. Интерферометры применяют при особо точных измерениях (0,050,2 мкм) и аттестации концевых мер 2-4 разрядов. Они разделяются на контактные и бесконтактные. Контактные интерферометры Уверского имеют регулируемую цену деления от 0,05 до 0,2 мкм. Принцип действия приборов основан на интерференции световых волн. В окуляре приборов наблюдаются интерференционные полосы, которые в зависимости от значения измеряемого размера смещаются относительно шкалы сетки. В бесконтактных интерферометрах используется лазерный луч, и большие расстояния (десятки метров) определяются до 0,001 мм. В заводской практике распространены также измерительные микроскопы малый инструментальный (ММИ), большой инструментальный (БМИ), универсальный (УИМ). Предназначены для, как правило, бесконтактных измерений линейных и угловых параметров (в прямоугольных и полярных координатах) инструментов и сложных фасонных деталей: резьбовых калибров, винтов, фасонных резцов, метчиков, шаблонов и другое. В приборах используется проекционная схема измерений – на экране или в окуляре создается увеличенное изображение детали. Инструментальные микроскопы (для измерения режущих и контролирующих инструментов) имеют круглый стол, перемещаемый в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях. Эти перемещения могут быть отсчитаны с помощью микрометрических устройств (с шагом микровинта 1 мм и количеством делений на отчетном барабане 100 или 200). Центральная часть стола стеклянная для освещения контролируемого изделия снизу (в проходящем свете). На основании прибора установлена стойка с кронштейном и тубусом микроскопа с объективом. Тубус с микроскопом можно наклонить вокруг горизонтальной оси для установки микроскопа под углом подъема измеряемой резьбовой детали. Измерения выполняют в проходящем и отраженном свете. В первом случае изделие, установленное на столе или в центрах, освещается через стекло для получения теневого изображения предмета, во втором – используется дополнительный осветитель, закрепленный на тубусе. В поле зрения окуляра наблюдается часть теневого изображения детали (резьбы) и риски, нанесенные на поворотную стеклянную пластину окуляра. Цена деления микроскопов – ММИ – 0,01 мм, БМИ – 0,005 мм. Пределы измерения 0 – 25 мм. С помощью концевых мер можно увеличить перемещение до 75 мм (ММИ) или 150 мм (БМИ). Увеличение микроскопа зависит от сменных объективов и составляет 10 х, 15х, 30х, 50х. Универсальные микроскопы отличаются от инструментальных большим диапазоном измерения (в продольном 0-200 мм, поперечном 0-100 мм), повышенной 32 точностью (линейные измерения 0,001 мм, угловые 1) и большим диапазоном измерительных работ, которые можно выполнить на приборе. Рабочие перемещения кареток со столом фиксируются с помощью отсчетных микроскопов. Для универсальных и инструментальных микроскопов выпускаются принадлежности, увеличивающие их возможности – контактные приспособления для измерения внутренних диаметров, специальные окулярные головки для контроля резьб, измерительные ножи для контактных измерений параметров резьб и другое. Измерительными проекторами называются приборы, в которых на экране создается теневое изображение изделия. Контроль изделий производится сличением увеличенного на экране контура детали с чертежом соответствующего масштаба, а измерения – с помощью отсчетных устройств проектора (микрометрических винтов, индикаторных головок). Приборы позволяют измерять линейные (и в меньшей степени угловые) размеры небольших деталей сложной формы и невысокой точности (7-8 квалитет и грубее). На заводах применяются большой проектор, часовой проектор, проектор массового контроля и др. Цена деления – 0,01 мм, увеличение 10х, 20 х,50 х,100 х, 200 х . Пневматические приборы. Достоинства: точны, производительны, достаточно надежны, бесконтактны. Недостатки: требуют подвода сжатого воздуха. Приборы широко применяются в цеховых условиях. Их разделяют на три группы: типа “Солекс”, “Ротаметр” и дифференциальные. В приборах “Солекс” используются зависимость между зазором, образуемым измерительным соплом и поверхностью детали, и давлением. Больше зазор – меньше размер – меньше давление. В приборах “Ротаметр” используется зависимость между зазором и расходом сжатого воздуха. Электрические приборы могут применяться в автоматических и измерительных системах: они обеспечивают быструю передачу измерительного импульса и удобство управления. К ним относятся электроконтактные приборы, фотоэлектрические и растровые системы, ультразвуковые толщемеры, щуповые приборы для измерения шероховатости и др. 2 Стандартизация 2.1 Цели и содержание стандартизации Стандартизация — деятельность по разработке и установлению требований, норм, положений и рекомендаций, обеспечивающих право потребителя на получение качественного изделия или качественной услуги. 33 Основными целями стандартизации являются: 1) повышение уровня безопасности жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного и муниципального имущества, в области экологии, жизни и здоровья животных и растений, объектов с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; 2) обеспечение: конкурентоспособности продукции, работ, услуг, научнотехнического прогресса, рационального использования ресурсов, совместимости и взаимозаменяемости машин, оборудования, их частей, комплектующих изделий и материалов, сопоставимости результатов исследований и измерений технических и экономико-статистических данных, информационной совместимости, анализа характеристик продукции, государственных заказов и внедрения инноваций, решений арбитражных споров и судебных решений, выполнения поставок; 3) создание систем классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации, систем обеспечения качества продукции, систем поиска и передачи данных, доказательной базы и условий выполнения технических регламентов; 4) содействие проведению работ по унификации. Для достижения указанных целей необходимо разрабатывать и устанавливать требования к качеству продукции, качеству услуг в соответствии с системой показателей качества, разрабатывать и осуществлять мероприятия по обеспечению безопасности труда, процессов, охраны среды и ресурсов, обеспечению единства и достоверности измерений и контрольных операций, повышению уровня точности, совместимости и взаимозаменяемости изделий и др. Стандартизация распространяется на продукцию (готовые изделия, оборудование, детали, материалы, сырье), процессы (технологические, управленческие), услуги (банковские, транспортные, страховые и др.). К нормативным документам в области стандартизации, которые используются на территории Российской Федерации, относятся: национальные стандарты, национальные военные стандарты, межгосударственные стандарты, введенные в действие в Российской Федерации, правила стандартизации, нормы и рекомендации в области стандартизации, общероссийские классификаторы технико-экономической и социальной информации, применяемые в установленном порядке, стандарты организаций и предприятий. Стандарт — нормативный документ, разработанный на основе консенсуса и утвержденный признанным органом. Основывается на результатах научных исследований, технических достижений и практическом опыте. Национальные стандарты России (ГОСТ Р) утверждает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, межгосударственные 34 стандарты (ГОСТ) — Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации, стандарты организаций и предприятий (СТО, СТП) — органом по стандартизации и руководителями. Свод правил (ПР) разрабатывается для процессов проектирования, монтажа, технического обслуживания и эксплуатации объектов, оказания услуг и т.д. Может быть самостоятельным документом либо частью стандарта. Правила, содержащиеся в документе, являются рекомендательными. Используются также в виде отдельных документов рекомендации (Р) по стандартизации. Технический регламент — документ, в котором содержится обязательные правовые нормы. Общероссийские классификаторы (ОК, ОКП, ОКС и др.) - нормативные документы, распределяющие технико-экономическую и социальную информацию на классификационные группировки (классы, группы, виды) и являющиеся обязательными для применения и создания государственных информационных систем и информационных ресурсов. Разработку, принятие, введение в действие применение общероссийских классификаторов осуществляют в соответствии с Положением, утвержденным Правительством РФ (постановление от 10 ноября 2003 г. № 677). Каждый документ по стандартизации имеет определенные цифровые обозначение, содержащее его номер и год утверждения. Например, ГОСТ 2789-73, ГОСТ Р 1.0-2004, ГОСТ 30987-2003 (ИСО 10579:1993), ПР 50.1.001-93. Комплексные системы (объединения) общетехнических стандартов обозначают цифрой и точкой в номере стандарта. Например, стандарты системы «Стандартизации в РФ» обозначают цифрой 1 (ГОСТ Р 1.12-2004 и др.), стандарты системы ЕСКД — цифрой 2. (ГОСТ 2.001-92 и др.), стандарты системы ГСИ — цифрой 8. (ГОСТ 8.009-84 и др.), стандарты системы ЕСТД (система технологической документации) — цифрой 14. (ГОСТ 14.001-85 и др.) и т.д. Действие отдельных стандартов следует проверять по ежегодно издаваемому Указателю национальных стандартов (в 3-х т.), где приводятся перечень и сведения о стандартах, действующих в данном году, и ежемесячно издаваемым информационным указателям. 2.2 Стандартизация в РФ Стандартизация в РФ определяет цели и задачи стандартизации, этапы разработки стандартов, категории и виды стандартов, методику проведения работ по стандартизации, органам и службы по стандартизации. Правовые основы стандартизации установлены Федеральными законами. «О техническом регулировании», «Об обеспечении единства измерений» и др. Основные положения ГСС даны в основополагающих стандартах: ГОСТ Р 1.0-2004 Стандартизации в Российской Федерации. Основные положения. 35 ГОСТ Р 1.1-2002 Межгосударственная система стандартизации. Термины и определения. ГОСТ Р 1.2-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные РФ. Правила разработки, утверждения, обновления и отмены. ГОСТ Р 1.4-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты организаций. Общие положения. ГОСТ Р 1.5-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные в Российской Федерации. Правила построения, изложения, оформления и обозначения. ГОСТ Р 1.8-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты межгосударственные. Правила проведения в Российской Федерации работ по разработке, применению, обновлению и прекращению применения. ГОСТ Р 1.9-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Знак соответствия национальным стандартам РФ. Изображение. Порядок применения. ГОСТ Р 1.12-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Термины и определения. В зависимости от специфики объекта стандартизации и содержания требований установленные следующие виды стандартов: стандарты на продукцию (устанавливают требования и методы контроля по безопасности, потребительским свойствам, а также правила эксплуатации, хранения, транспортировки, утилизации); стандарты на процессы, работы (устанавливают требования к организации производства, методам выполнения работ, методы контроля требований в технологических процессах разработки, изготовления, хранения, транспортировки, ремонта и утилизации); стандарты на услуги (устанавливают требования в отношении состава, содержания, формы деятельности по оказании помощи или услуги, а также требования к факторам, влияющим на качество услуги); основополагающие стандарты — организационно-технические и общетехнические (устанавливают нормы и правила, обеспечивающие взаимопонимание, совместимость и взаимозаменяемость, техническое единство и взаимосвязь различных областей науки, техники и производства, охрану окружающей среды, безопасность и др.); стандарты на термины и определения; стандарты на методы контроля, испытаний, измерений, анализа (устанавливают требования к оборудованию, условиям, процедурам всех операций, обработке результатов, квалификации персонала). Организацию работ по стандартизации осуществляет национальный орган по стандартизации — (постановление Правительства РФ № 294 от 17 июня 2004 г.) Федеральное агентства по техническому регулированию и метрологии. Функции органа по стандартизации: утверждение национальных стандартов; принятие программ разработки национальных стандартов; 36 экспертиза проектов национальных стандартов; создание технических комитетов (ТК) по стандартизации и координация их деятельности; обеспечение соответствия системы стандартизации интересам экономики, научно-техническому прогрессу и состоянию материально-технической базы; осуществление учета документов по стандартизации (стандартов, правил, норм, рекомендаций); опубликование и распространение национальных стандартов; участие в разработке международных стандартов и защита интересов РФ; утверждение изображения знака соответствия национальным стандартам; представление Российской Федерации в международных организациях по стандартизации. К территориальным органам Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии относятся центры стандартизации и метрологии (примерно 100 центров), которые размещаются в регионах и крупных городах. Для проведения работ по стандартизации на определенных уровнях управления — государственном, отраслевом, организаций и предприятий — создаются службы стандартизации. Государственные службы стандартизации включают научноисследовательские институты и технические комитеты. Головные научноисследовательские институты: ВНИИ стандартизации (ВНИИ стандарт), ВНИИ сертификации продукции (ВНИИС), ВНИИ по нормализации в машиностроении (ВНИИНМАШ), ВНИИ комплексной информации по стандартизации и качеству (ВНИИКИ), ВНИИ метрологической службы (ВНИИМС). Технические комитеты по стандартизации создают на базе организацией и предприятий, специализирующихся на определенном виде продукции (процессов и др.) и имеющих в данной области наиболее высокий научно-технический потенциал. В состав комитетов включают представителей разработчиков, изготовителей, поставщиков, заказчиков или потребителей, обществ потребителей и других организаций. Технические комитеты утверждаются Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии. Работа по созданию стандартов проводится в последовательности и объеме, установленными в ГОСТ Р 1.2. При разработке стандартов используют результаты научно-исследовательских, опытно-конструкторских, проектных работ, патентных исследований, правила, нормы и рекомендации по стандартизации, международные стандарты и другую информацию о достижениях науки, техники и технологии. Порядок разработки стандарта по ГОСТ включает шесть стадий. На первой стадии осуществляются подготовка и представление заявки на разработку стандарта в технический комитет по закрепленным за комитетом объекту стандартизации. Может быть приложен подготовленный заявителем проект стандарта. Технический комитет выбирает рабочую группу или предприятие для разработки проекта стандарта и устанавливает сроки выполнения работ по договору. Вторая стадия — разработка проекта стандарта, пояснительной записки к 37 нему и рассылка на отзыв. В пояснительной записке приводится краткая характеристика объекта стандартизации, основания для разработки стандарта, сведения о соответствии проекта законодательству РФ, международным стандартам, правилам и нормам по стандартизации, о патентной чистоте стандарта, сведения о рассылке на отзыв и др. Третья стадия — подготовка окончательной редакции стандарта с учетом поступивших отзывов. Технический комитет рассматривает проект стандарта и на основании результатов голосования на своем заседании решает вопрос о направлении проекта стандарта на утверждение. Четвертая стадия — принятие и государственная регистрация стандарта. Пятая стадия - издание стандарта. Информация о принятых стандартах публикуется в ежемесячном информационном указателе и ежегодном «Указателе национальных стандартов». Шестая стадия — обновление и отмена стандарта. Технический комитет собирает предложения по обновления и пересмотру стандарта от предприятий, членов технического комитета, организаций и т.д. и направляет проекты изменений в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Последнее и принимает решение по дополнению, изменению или отмене национального стандарта. Стандарты организаций разрабатываются по аналогичной схеме, утверждаются руководством организации и действуют после проведения определенных организационно-технических мероприятий по подготовке и применению стандарта. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии ведет федеральный информационный фонд стандартов, единую систему классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации (ЕСККТЭСИ) и фонды других нормативно-технических российских и зарубежных документов. В зависимости от уровня утверждения и сферы применения различают общероссийские, отраслевые классификаторы и классификаторы предприятий. Объектами классификаторов являются продукция (промышленная, сельскохозяйственная, строительная), процессы и работы, трудовые и природные ресурсы, экономика и структура хозяйства. Основные положения и порядок проведения работ по разработке, ведению и применению общероссийских классификаторов определены правилами ПР 50.1.024. К общероссийским классификаторам относятся, например, ОК 001-2000 — общероссийский классификатор стандартов; ОК 010-93 — общероссийский классификатор занятий; ОК 016-94 — профессий рабочих должностей и тарифных разрядов; ОК 021-95 — технический классификатор сборных единиц машиностроения и приборостроения; ОК 029-2001 — экономической деятельности и другие. Государственный контроль и надзор осуществляется на стадиях разработки, подготовки к производству, хранения, транспортировки и утилизации, а также при 38 выполнении работ и оказании услуг. Цель — защита прав потребителей и интересов государства. Госнадзор осуществляется в трех формах: испытание продукции (процесса), экспертиза документации, лицензирование разработки и применения потенциально опасных технологий, объектов, изделий. Непосредственно за соблюдением требований стандартов наблюдают от имени федерального агентства по техническому регулированию и метрологии государственные инспекторы. Государственный инспектор имеет право: свободного доступа в помещения субъекта хозяйственной деятельности; получать необходимые документы и сведения для осуществления госнадзора; проводить отборы образцов продукции для их контроля; выдавать предписание о запрете или приостановке реализации, использования продукции, а также выполнения работ и услуг в случае их несоответствия требованиям стандартов; принимать постановления о штрафных санкциях за нарушение требований стандартов; запрещать реализацию импортной продукции и оказание импортных услуг, которые не получили государственной регистрации и не соответствуют требованиям ГОСТ. 2.3 Принципы и методы стандартизации Основные принципы стандартизации, обеспечивающие достижение заявленных цепей, следующие: 1) добровольность применения стандартов. Обязательность соблюдения требований стандартов наступает, если на это есть прямое указание в действующем законодательстве, договорах, контрактах, правомерно принятых нормативных документах органов исполнительной власти или предприятий любых форм собственности; 2) консенсус всех заинтересованных сторон при разработке и принятии стандартов; 3) использование международных стандартов при разработке национальных стандартов; 4) комплексность (системность), которая заключается в систематизации и оптимальной увязке требований всех взаимодействующих факторов и стандартов. В химической промышленности — это процесс установления и применения нормативных документов, определяющих качество исходных компонентов (сырья), технологических процессов переработки в готовый продукт, методов контроля, правил приемки, хранения, транспортировки; 5) недопустимость установления требований, противоречащих техническим регламентам; 39 6) соответствие стандартов современных достижениям науки, техники и технологии с учетом имеющихся ограничений по их реализации; 7) возможность объективного контроля выполнения требований стандартов; 8) четкость и ясность изложения стандартов для исключения неоднозначности понимания; 9) исключения дублирования при разработке стандартов на идентичные по функциональному назначению объекты стандартизации; 10) недопустимость создания препятствий производству, выполнению работ, оказанию услуг в большей степени, чем это минимально необходимо для выполнения целей стандартизации; 11) доступность предоставления информации по стандартам заинтересованным лицам за исключением оговоренных законодательством случаев. Стандарты, особенно относящиеся к продукции и процессам, разрабатываются на основе теоретических и экспериментальных исследований с учетом технических возможностей производств и практического опыта. Задачами стандартизации являются оптимизация требований к продукции, процессу или услуге с целью достижения наибольшего эффекта при определенных затратах или минимализация затрат при заданном эффекте. При стандартизации технической продукции соблюдаются также принципы предпочтительности (распределение численных значений параметров продукции по степеням очередности выбора: в первую очередь, во вторую и т.д.) и функциональной взаимозаменяемости (принцип обеспечения необходимой точности эксплуатационных характеристик изделия путем нормирования допустимых отклонений значений параметров, влияющих на эти характеристики). Работам по стандартизации обычно предшествует этап упорядочения объектов стандартизации, направленный на сокращение излишнего многообразия. Упорядочение включает систематизацию, селекцию и другие методы, рассмотренные ниже. Систематизация — метод, заключающийся в классификации определенной совокупности объектов стандартизации. Например, общероссийский классификатор промышленной и сельскохозяйственной продукции (ОКП) — свод кодов и наименований продукции. Обозначение кода включает цифровое обозначение класса-подкласса — группы — подгруппы — виды — разновидности (десять цифр). При селекции происходят отбор объектов стандартизации, производство которых признано целесообразным. При стандартизации продукции чаще всего используются следующие методы: пассивный, симплификации, унификации, типизации и агрегатирование. Пассивный метод — метод стандартизации на основе достигнутого качества выпускаемой продукции. Симплификация (ограничение) — процесс ограничения качества марок или разновидностей продукции до обоснованного минимума без внесения каких-либо технических изменений. 40 Унификация — процесс и результат рационального сокращения марок, типов, видов продукции одинакового функционального назначения для удешевления производства и создания изделий из относительно ограниченного числа составных частей. Агрегатирование — метод разработки и создание разнообразных изделий, машин, аппаратов, агрегатов и т.п. путем комбинации ограниченного числа стандартизованных составных элементов (изделий). Для реализации принципа предпочтительности и для обеспечения совместимости стандартизации используется система предпочтительных чисел. Предпочтительными называются числа, которые рекомендуется выбирать при определении значений параметров (например, грузоподъемности, емкости, габаритов, напряжений электрического тока, давлений и др.) вновь создаваемых изделий. Ряды предпочтительных чисел (обозначаемых R5, R10, R20, R40) построены на основе геометрической прогрессии со своим знаменателем для каждого ряда (для ряда R5 — знаменатель φ= 5 10 , для ряда R10 — 1010 , для ряда R20 — 2010 , для ряда R40 — 4010 ). Использование предпочтительных чисел обеспечивает совместимость параметров и размеров изделий различного назначения: комплектующих изделий и машин, химических аппаратов и технологического оборудования, электромашин и агрегатов и т.д. Например, в машиностроении используют при назначении геометрических размеров деталей ряды линейных размеров по ГОСТ 6636-69 «Ряды линейных размеров», обозначаемых Ra5, Ra10, Ra20, Ra40. При этом каждый предыдущий ряд является предпочтительным по отношению к последующему (Ra5 по отношению к Ra10 и т.д.). Использование стандартных размеров приводит к сокращению номенклатуры и удешевлению заготовок, инструментов, калибров, приспособлений, снижению затрат на производство. 2.4 Международные организации по стандартизации Крупнейшая международная организация по стандартизации ИСО (JSO) была образована в 1946 г. на основе 25 национальных организаций (стран) по стандартизации. Сейчас в ИСО входят примерно 90 стран. Сфера деятельности – разработка международных стандартов (нормативных документов) в области машиностроения, химии, металлов и неметаллов, сельского хозяйства, медицины, окружающей среды, упаковки, транспортировки и так называемых основополагающих стандартов. Решения принимает Генеральная ассамблея; есть Совет ИСО и семь комитетов (КАСКО – по оценке соответствия, ИНФКО – научнотехническая информация, СТАКО – научные принципы стандартизации и др.). Действуют также технические комитеты (ТК), подкомитеты (ПК) и рабочие группы (РГ) по отдельным отраслям и вопросам стандартизации. Россия принимает участие в 10 ТК, 31 ПК и 10 РГ. ИСО сотрудничает с СЕН (Европейский комитет по стандартизации) и МЭК (международная электротехническая комиссия). 41 МЭК образована в 1906 г. на конференции 13 стран. Сфера деятельности – разработка нормативных документов (стандартов) для электротехники, электроники, приборостроения и связи. В пересекающихся сферах деятельности ИСО и МЭК издают совместные документы. Например, Руководство ИСО/МЭК 51 “Общие требования к изложению вопросов безопасности при подготовке стандартов”. Международные стандарты и другие документы имеют рекомендательный характер. Действует также Межгосударственный Совет стран СНГ (МГС) 2.5 Управление качеством продукции Качество продукции (процесса или услуги) – совокупность свойств и показателей, определяющих пригодность продукции (процесса или услуги) для удовлетворения определенных потребностей в соответствии с назначением. Проблемы качества рассматриваются и изучаются особой наукой – квалиметрией, в задачу которой входят определение показателей и составляющих качества, разработка методов достижения и оценки качества и др. Различают следующие квалификационные группы показателей качества: - показатели назначения, надежности, технологичности; - показатели стандартизации и унификации, транспортабельности; - патентно-правовые, эргономические, экологические, эстетические показатели, а также показатели безопасности; - группа экономических показателей. Среди показателей назначения особенно важны конструктивные показатели, характеризующие проектно-конструкторские решения, удобство монтажа, возможность агрегатирования: габаритные и присоединительные размеры, уровень взаимозаменяемости, эксплуатационные характеристики и т.п. В группу показателей надежности входят вероятность безотказной работы Р(t), наработка на отказ То, интенсивность отказов , срок службы, ремонтопригодность и другие характеристики надежности. Технологичность изделия характеризуют трудоемкость, материалоемкость, себестоимость. Насыщенность продукции стандартными, унифицированными и оригинальными деталями определяет уровень стандартизации и унификации. Для изделий химической промышленности особенно важны экологические показатели, определяющие степень вредного воздействия на окружающую среду, на здоровье человека и показатели безопасности, отражающие меры и средства защиты при аварийных и нестандартных ситуациях. Значение показателей качества получают измерительными, регистрационными, расчетными или даже органолептическими методами. Эксплуатационные, точностные и подобные показатели определяют, используя различные средства измерений. Регистрационные методы используют для 42 показателей надежности (регистрация потока отказов и пр.), теоретические или эмпирические зависимости – для расчета показателей производительности, долговечности и др. Органолептический метод применяют для анализа качества пищевых продуктов, оценки эстетических свойств. Для обеспечения качества продукции, услуг, во-первых, в стандарты, технические условия и другие нормативные документы закладывают такие значения показателей, которые могут обеспечить требуемый уровень качества и, во-вторых, создают действующие системы управления качеством. Обычно такие системы ориентируются на стандарты Международной организации по стандартизации серии ИСО 9000. В этом случае деятельность предприятия или учреждения организуется так, чтобы под контролем (инструментальным, административным и пр.) находились все факторы, которые могут повлиять на качество изделий и услуг. Системы управления качеством продукции должны действовать на всех стадиях жизненного цикла, начиная от изучения потребностей рынка и заканчивая утилизацией. Согласно стандарту ИСО 9004 этапы жизненного цикла (деятельности) включают (рисунок 7): - маркетинг, изучение рынка; - проектирование и разработка изделия; - материально-техническое снабжение; - подготовку и разработку производственных процессов; - производство; - контроль, испытания; - упаковку, хранение; - реализацию продукции; - монтаж и эксплуатацию; - техническое обслуживание; - утилизацию после использования. Пакет стандартов серии ИСО 9000 включает стандарты ИСО 9001ИСО 9004 (понятия и словарь системы обеспечения качества, требования к системе, руководящие указания и др.), ИСО 10011 “Руководящие указания по проверке систем качества”. В России приняты в качестве государственных стандартов: ГОСТ Р ИСО 90012001, ГОСТ Р ИСО 9002-2001, ГОСТ Р 9003-2001. По рекомендации ИСО 9004 системы управления качеством должны основываться на принципах: - ориентация на потребителя; - роль руководства (атмосфера доверия, инициатива, свобода действий сотрудников и др.); - вовлечение в процесс работников; - системный подход; - постоянное улучшение; - принятие решений на основе фактов; - взаимовыгодные отношения с поставщиками. 43 Рисунок 7 – «Петля» качества Примерный перечень задач, решаемых системой управления качеством продукции (УКП) показан в таблице 4. Таблица 6 - Примерные задачи, решаемые системой УКП Наименование задачи Подразделения, для которых предназначена задача 1 Создание базы данных по нормативным Отделы проектирования, УКП, документам и методам испытаний лаборатории, отделы контроля (контроля) 2 Создание базы данных по Отдел главного технолога производственному оборудованию, 3 Создание пакета программ для Испытательная лаборатория, бюро статистического контроля КП УКП 4 Создание программ для расчета и Экономические отделы, анализа затрат на КП бухгалтерия 5 Разработка алгоритмов и программ для Бюро УКП обеспечения и реализации мероприятий по КП 6 Создание базы данных по деловым Отделы сбыта, маркетинга, связям предприятия экономический 7 Создание базы данных по типовым, Бюро УКП, подразделения, 44 организационно-методическим документам и системы УКП связанные с обеспечением качества Важной составной частью систем управления качеством является сертификация, которая удостоверяет, что изделие или услуги соответствуют требованиям стандартов, технических условий и других документов. 3 Стандартизация допусков и посадок. Взаимозаменяемость 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 45 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 хi: Q = fQ(xi), i= 1, n . (3.1) Далее, разложив функцию в ряд Тейлора и применив известные методы теории вероятностей, получим зависимость между изменением (допусками) показателя и параметров: f 2 2 Q Τ Τ , Q i x λ i x 1 i X n 2 (3.2) i где хi – функциональный параметр; i – коэффициент, характеризующий 46 распределение значений i-го параметра; TQ, - 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 Q 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 Ti,j функциональных параметров xi,j, чтобы вектор Q*(Ti,j) реальной технической системы был возможно ближе к вектору Q “идеальной” системы по критерию сравнения (оптимизации) Кр, т.е. i Q Τ argminK Q , Q , i, j p (3.3) i, j UT, i 1, n, j 1, m , где UT – область возможных, с учетом ограничений, значений допусков; m – количество эксплуатационных показателей. В качестве критерия сравнения КР 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 47 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 и затрат при эксплуатации Ц2 от допуска Тi Изготовить детали абсолютно одинаковыми невозможно, да и в этом нет необходимости. Колебание размеров деталей в партии ограничивается допуском, который задает конструктор, исходя из условий функционирования соединений и изделия и требований взаимозаменяемости. Технолог должен обеспечить изготовление деталей с заданной точностью, выбирая режимы, методы обработки и контроля. 3.2 Понятие о точности изготовления Точность изготовления характеризуется степенью приближения действительных значений геометрических и иных параметров обработанной детали по отношению к идеальным значениям параметров (заданным конструктором). Различают нормированную и действительную точность. Под действительной точностью понимают совокупность действительных отклонений, определяемых при измерении параметров деталей. Нормированная точность характеризуется совокупностью допускаемых отклонений от расчетных значений. Устанавливается конструктором и фиксируется в чертежах. Степень соответствия действительной и нормированной точности определяет 48 точность, качество изделий. На реальных деталях можно выделить качественно различающиеся виды погрешностей: - погрешность размера; - погрешность формы (овальность, конусообразность, бочкообразность и т.д.); - погрешности взаимного расположения поверхностей (отклонения от параллельности, перпендикулярности, соосности и т.д.); - волнистость; - шероховатость поверхности; - погрешности физико-механических параметров (механические, оптические, магнитные и др. свойства). Погрешности на деталях возникают в процессе обработки их по следующим причинам: - из-за погрешностей в системе СПИД (станок + приспособление + инструмент + деталь). Сюда входят погрешности, обусловленные материалом, размерами и формой заготовок (принцип “копирования” погрешностей), геометрической неточностью станков (непараллельность направляющих и т.д.), ошибками установочных и направляющих элементов приспособлений, погрешности режущих инструментов (их размеров, формы режущих инструментов); - методические погрешности, обусловленные методом обработки, установкой детали в приспособлении и способом закрепления; - неточности настройки; - погрешности, возникающие в процессе обработки под действием усилий резания, тепловых деформаций и т.д.; - погрешности, вносимые рабочим или исполнительным органом станков; - погрешности после обработки из-за перераспределения внутренних напряжений. В зависимости от закономерности проявления погрешности обработки разделяются на систематические и случайные. Систематические погрешности – это погрешности, постоянные по величине и знаку или закономерно изменяющиеся. Например, геометрическая неточность станка, неправильно установленный упор, погрешности постоянной настройки и т.д. Случайные – погрешности, не постоянные по величине и знаку, например, деформации станка при обработке, неконтролируемые колебания температуры и т.д. Систематические погрешности можно выявить и устранить. Случайные полностью исключить невозможно: их можно уменьшить, стабилизируя факторы, их обуславливающие. В связи с тем, что на размер детали оказывает влияние большое число случайно флюктуирующих факторов, размер является случайной величиной. Случайные погрешности изготовления (и измерения), взятые в совокупности, подчиняются определенным законам распределения по частости. Например, при 49 обработке деталей на станках-автоматах (или на универсальных станках) распределение размеров деталей подчиняется нормальному закону (рисунок 9а). Рисунок 9 – Графики нормального закона (а) и закона Максвелла (б) Плотность вероятности y равна: 2 x 1 i x y exp 2 . 2 σ 2 π σ (3.4) Практически все размеры деталей в партии расположены в пределах зоны 3. Вернее в этих пределах находится 99,73% всех деталей. Этот диапазон принимается в нормальных условиях равным допуску, Т = 6. В пределах 2 находится 95,5% всех деталей, и в пределах - 68,3%. В машиностроении используются также и другие законы распределения. Так погрешности формы р подчиняются закону модуля разности: р = хнб - хнм, (3.5) 50 где хнб и хнм соответствуют нормальному закону. Распределение погрешностей расположения (отклонений от соосности) р, обычно подчиняется закону Максвелла (эксцентриситета): 2 Δp x1 x2 2, (3.6) где х1 и х2 распределены по нормальному закону (см. рисунок 9б). Плотность распределения yр закона эксцентриситета: x2 x 2 yp 2 е 2σ . σ (3.7) Используются закон Вейбулла и другие. Знание закономерностей проявления погрешностей необходимо для правильного расчета и подбора допусков с целью обеспечения нормальной работы изделий и экономичности изготовления. 3.3 Основные понятия о допусках и посадках При сборке 2-х деталей, входящих одна в другую, различают охватываемые и охватывающие поверхности, смысл которых ясен по названию. Охватывающую поверхность называют отверстием, охватываемую - валом. Например, внутренняя цилиндрическая поверхность втулки и поверхность шпоночного паза – охватывающие поверхности, отверстия; наружная цилиндрическая поверхность втулки и поверхность шпонки – охватываемые поверхности, валы. Разность между размерами охватывающей и охватываемой поверхностями (между размерами отверстия и вала) определяет характер соединения деталей или посадку, т.е. большую или меньшую степень подвижности деталей или степень прочности соединений (для неподвижных соединений). Если размер отверстия D больше размера вала d, то положительная разность между ними, характеризующая степень подвижности (свободы относительного перемещения) называется зазором S: S = D – d; D d; S0. (3.8) Если размер вала d больше размера отверстия D, то положительная разность между ними, характеризующая степень прочности соединения, называется натягом N: N = d – D; d D; N0. (3.9) 51 Натяг (при необходимости) можно выразить как отрицательный зазор и наоборот: S = -N; N = -S. (3.10) Номинальный размер – основной расчетный размер, округленный до стандартного. Номинальные размеры отверстия и вала в посадке проставляются на чертеже и от него отсчитываются отклонения, которые приведены в таблице стандартов по допускам. Номинальные размеры (при округлении после расчета на прочность, жесткость, устойчивость ...) выбираются по ГОСТ 6636-69* “Нормальные линейные размеры”. Использование только стандартных линейных размеров приводит к уменьшению типоразмеров заготовок, режущих, мерительных инструментов и удешевлению производства. По ГОСТу предусмотрен диапазон размеров от 0,001 до 20000 мм, построенных на базе предпочтительных чисел. Установлено четыре ряда размеров, возрастающих по геометрической прогрессии со знаменательными = 5 10 ; 10 10 ; 20 10 ; 40 10 . Ряды обозначаются Ra5, Ra10, Ra20, Ra40. Наибольшее число размеров в последнем ряду, наименьшее – в первом. При выборе номиналов каждый предыдущий ряд надо предпочитать последующему. Действительным размером называется размер, полученный в результате измерения с допустимой погрешностью. Размеры между которыми должен находиться (или быть равным) действительный размер годных деталей в партии называются предельными – соответственно наибольший предельный Dmax, dmax и наименьший предельный Dmin, dmin. Для упрощения на чертежах и в таблицах ставят вместо предельных размеров соответствующие предельные отклонения – верхнее и нижнее. Верхнее отклонение (ES, es) – алгебраическая разность между наибольшим предельным размером и номинальным размером соединения. ES = Dmax - dнс; (3.11) еs = dmax - dнс, (3.12) где dнс – номинальный диаметр соединения. Нижнее отклонение (EI, ei) – алгебраическая разность между наименьшим предельным размером и номинальным размером соединения: EI = Dmin - dнс; ei = dmin - dнс. (3.13) (3.14) 52 Отклонения могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. Допуском размера Т называется разность между предельными размерами: ТD = Dmax - Dmin; Тd = dmax - dmin. (3.15) (3.16) Допуск – величина всегда положительная, поэтому он указывается в документах без знака. Подставляя в выражения (3.15) и (3.16) значения предельных размеров, выраженные через отклонения и номинал, определим: ТD = (ES + dнс) - (EI + dнс) = ES – EI; Тd = (еs + dнс) – (ei + dнс) = еs - ei. (3.17) (3.18) Допуск равен разности предельных отклонений (со своим знаком!). Допуск характеризует точность размера. Чем меньше допуск, тем выше точность, меньше возможный диапазон изменения размеров в партии и наоборот. Величина допуска влияет на эксплуатационные свойства соединения и изделия, а также на трудоемкость изготовления и себестоимость детали. Изготовление деталей с меньшим допуском требует применения более точного оборудования, точных средств измерения, приспособлений, соответствующих режимов обработки, что удорожает изделие. При сборке деталей (например, вал соединяют с втулкой), изготовленных в пределах допуска, в зависимости от случайных сочетаний размеров отверстий и валов могут быть получены различные посадки. Их обычно разделяют на посадки с зазором (S), натягом (N), переходные (N-S). Посадкой с зазором называют посадку, при которой во всех соединениях на сборке обеспечиваются зазоры. Аналогично определяются посадки с натягом. Переходной называется посадка, при которой у некоторой части соединений на сборке получаются зазоры, а у остальных – натяги. Каждая посадка характеризуется предельными (наибольшими, наименьшими) зазорами или натягами, значение которых определяется предельными размерами деталей. Наименьший зазор Smin в соединении образуется, если в отверстие с размером Dmin будет установлен вал с размером dmax: Smin = Dmin - dmax (3.19) Smin = (EI + dнс) – (еs + dнс) = EI – еs. (3.20) или Наибольший зазор Smax в соединении получится, если в отверстие с наибольшим предельным размером Dmax будет установлен вал с наименьшим 53 предельным размером dmin: Smax = Dmax - dmin (3.21) Smax = (ES + dнс) - (ei + dнс) = ЕS - ei. (3.22) Nmin = dmin - Dmax = ei – ES = - Smax; (3.23) Nmax = dmax- Dmin = еS – EI = - Smin. (3.24) или Аналогично, Средний зазор или натяг равен: Sc(Nc) = S (N ) S (N ) min min max max . 2 (3.25) Диапазон изменения зазора или натяга определяет допуск зазора, натяга или посадки (ТS, TN). Допуск посадки (ТS, TN) – разность между предельными зазорами или натягами: ТS = (TN) = Smax(Nmax) - Smin(Nmin). (3.26) В это выражение вместо Smax , Smin подставим их значения по (3.20), (3.22): TS = (ES – ei) – (EI – es) = (ES – EI) + (es – ei) = TD + Td. (3.27) Таким образом, допуск посадки равен сумме допусков отверстия и вала. Аналогично, TN = Nmax – Nmin = TD + Td. (3.28) Представим себе, что имеется партия втулок и валов, которые необходимо собрать. В этой партии втулок с наибольшими размерами Dmax будет очень мало (например, 1 из 100 штук), аналогично – в партии валов с наименьшими размерами dmin будет также мало (например, 1 из 100). Естественно предположить, что сборщик, без подбора выбирая детали и собирая соединения, вряд ли одновременно возьмет детали с размерами Dmax и dmin (вероятность этого события для нашего примера 1/1001/100 = 1/104). Вероятность такого события очень мала, поэтому на сборке практически не будет соединений с зазором, равном Smax. По тем же причинам на сборке практически не будет соединений с зазором, равном Smax. вep Для того, чтобы определить величины наибольших S max и наименьших 54 S вер min (вероятностных) зазоров, получающихся на сборке, подойдем к этой инженерной задаче с позиций теории вероятностей. Предполагаем, что распределение размеров деталей следует нормальному закону и допуск на изготовление равен размаху размеров при изготовлении, т.е. Т = 6. Предполагаем также, что подбора деталей при сборке не производят (сборка случайна). Известно, что композиция (объединение) двух нормальных законов также дает нормальный закон. Следовательно, распределение значений зазоров (натягов) следует нормальному закону. Из курса теории вероятности известно, что математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме их математических ожиданий. Действительные размеры деталей являются случайными величинами, математические ожидания которых будут близки к средним размерам в партии. Математическое ожидание суммы случайных размеров есть математическое ожидание зазора: М S = M D + M -d . (3.29) Sc = Dc - dc, (3.30) Тогда где Sc, Dc, dc – средние значения зазора, размеров отверстия и вала. Дисперсия суммы независимых случайных величин равна сумме их дисперсий. Дисперсия D есть среднее квадратическое отклонение в квадрате: D S = DD + D d; (3.31) 2 σS σ2D σd2. (3.32) 2 2 ТS = TD Td . (3.33) Тогда, принимая T = 6, получим: С вероятностью Р = 0,9973 значения действительных зазоров будут находиться в пределах: вер 2 2 S 3 σ 6 σ T T . max, min S S D d (3.34) Тогда наибольший вероятностный зазор будет равен: вер S S 3 σ S 0,5 TD2 Td2 , max c S c (3.35) а наименьший вероятностный зазор: 55 вер S S 3 σ S 0,5 TD2 Td2 . min c S c (3.36) Выражения (3.35) и (3.36) приблизительны (ранее было оговорены условия их получения). Более точно эти значения будут определены в разделе “Размерные цепи”. Для упрощения расчетов допусков и посадок используют схемы расположения полей допусков. Построения на них проводят относительно линии номинала, обозначенной 0 – 0. Линии предельных и номинального размеров отложены от одной границы. Следовательно, линии размеров, больших номинального, будут расположены выше линии 0 – 0, а линии размеров, меньших номинального – ниже. Вверх от линии 0 – 0 в выбранном масштабе показывают положительные отклонения, вниз – отрицательные. Две линии предельных размеров или предельных отклонений отверстия и вала образуют два поля допуска, которые обозначают в виде прямоугольников (по длине масштаб прямоугольника произволен). Полем допуска называется зона изменения размеров, заключенная между линиями верхнего и нижнего отклонений (или соответствующих размеров). Поле допуска – понятие более широкое, чем допуск. Оно характеризуется не только значением допуска, но и расположением его относительно номинала. Различные (по расположению) поля допусков могут иметь один и тот же допуск. В посадках с зазором поле допуска отверстия расположено выше поля допуска вала, в посадках с натягом поле допуска отверстия должно располагаться ниже поля допуска вала. В переходных посадках поля допусков должны перекрываться. 3.4 Система допусков и посадок для гладких соединений Системой допусков и посадок (СДП) называют закономерно построенную на основании опыта работы промышленности совокупность допусков и посадок, приведенных в таблицах стандартов (ГОСТ 25346-89, ГОСТ 25347-82, ГОСТ 2534882, ГОСТ 26179-84). Такая система служит следующим целям: - облегчить работу конструктору и технологу, устранить произвол в выборе посадок и допусков на обработку; - обеспечить возможность стандартизации выпускаемых мерных режущих и мерительных инструментов и организации их специализированного производства. СДП оформляется в виду набора стандартов. Каждое индустриальное государство имеет свою систему: в Германии – DJN, в СССР с 1929 г. использовалась система ОСТ. Имеется также международная СДП – ISO. Системы строятся по определенным принципам (признакам), но у них много 56 общего, т.к. все государства стремятся сближать национальные системы (основываясь на международной системе) с целью облегчения торговли, обмена промышленным и научным опытом. В нашей стране создана и применяется с 1977 г. в промышленности единая система допусков и посадок ЕСДП, построенная на основе международной системы. Переход промышленности на ЕСДП создает более широкие возможности для промышленной кооперации, инженерного и научного обмена между странами и повышает конкурентоспособность машиностроительной продукции на мировом рынке. Все упомянутые системы (JSO, ЕСДП, ОСТ и т.д.) основаны на единых принципах. 3.4.1 Принципы ЕСДП 1 принцип. Способы образования посадок – система (основного) отверстия СА и система (основного) вала СВ. В инженерной практике приходится применять различные виды и типы посадок в зависимости от условий работы соединений и изделий. Различные посадки (т.е. различные зазоры или натяги) можно получить или за счет изменения размеров вала или за счет изменения размеров отверстия. В связи с этим и установлены способы получения или обеспечения посадок – система основного отверстия (в дальнейшем система отверстия СА) и система основного вала (далее – система вала СВ). Системой отверстия называется такой способ образования посадок, при котором для заданного номинального размера и уровня точности предельные размеры отверстия во всех посадках постоянны, а различные посадки осуществляются за счет изменения предельных размеров вала. То есть различные посадки осуществляются соединением различных валов с одинаковыми отверстиями (рисунок 10). Основной деталью в СА является отверстие, т.е. предельные размеры отверстий не зависят от посадки (а только от номинала и уровня точности), а посадки осуществляются за счет посадочной детали – вала, предельные размеры которого зависят от посадки. Система вала характеризуется тем, что в ней при заданном номинальном размере и заданной точности предельные размеры вала остаются неизменными, а различные посадки осуществляются за счет изменения предельных размеров отверстий (см. рисунок 10). В СВ вал является основным, а отверстие посадочным. Конструктор вправе выбирать и СА, и СВ. Одну и ту же посадку можно получить и в СА, и в СВ, при этом величины предельных зазоров или натягов получаются одинаковыми для одноименных посадок. (Предельные размеры деталей 57 разные!). Системы технически равноправны, равноценны в этом смысле. С учетом экономичности работы всего хозяйства в целом СА имеет наибольшее распространение во всех отраслях машиностроения. Ее преимуществом является сокращение ассортимента (номенклатуры) мерных режущих инструментов для обработки отверстий (зенкеров, разверток, протяжек) и калибров, что удешевляет производство и эксплуатацию изделий. Рисунок 10 – Система отверстия (СА) и система вала (СВ) Точные отверстия под посадку обрабатываются размерным (для определенного размера!) режущим инструментом и измеряются калибрамипробками. Точные валы обрабатываются резцами, шлифовальными кругами, а контролируются универсальными средствами измерений (микрометрами, рычажными скобами и т.д.). Следовательно, чем больше набор (номенклатура) предельных размеров отверстий, тем больше (по номенклатуре) требуется различных размерных режущих инструментов и пробок. Поэтому экономически выгодно применять такой способ получения посадок, который позволяет уменьшить набор (номенклатуру) типоразмеров режущих инструментов и калибров для отверстий. Это – система отверстия. В таблице 5 показано сравнение по номенклатуре режущих и мерительных инструментов для 3-х посадок, показанных ранее на рисунке 10. Таблица 7 – Режущие и измерительные инструменты для обработки деталей в СА и СВ Режущие ин-ты Мерит. ин-ты СА Отв. Вал Вал Вал Валы ы№ ы№ ы№ 1 2 3 Сверло, Резец, Резец зенкер, шлифовальный шлиф. развертка круг круг Калибр.пробка Гладкий микрометр Глад. микр. СВ Отв. №1 Отв. №2 Отв. №3 Зенкер № 1, развертка №1 сверло Пробка №1 Зенкер № 2, развертка №2 сверло Зенкер №3, развертка №3 сверло Пробка №2 Пробка №3 Из таблицы 5 следует, что в случае применения СВ номенклатура зенкеров, разверток (и протяжек), а также калибров-пробок увеличивается во столько раз, 58 сколько есть разных посадок. Инструменты становятся дороже, изделия – также. Но СВ применяется иногда в тех случаях, когда экономия от ее применения перекрывает экономию от применения СА, а также по конструктивным и технологическим соображениям. Можно выделить три случая применения СВ: - В сельскохозяйственном, текстильном и других отраслях машиностроения, в приборостроении находят применение калиброванные холоднотянутые валы (“серебрянка”), которые выпускаются с высокой точностью (7-9 квалитеты) и малой шероховатостью. Эти валы гораздо дешевле валов, полученных традиционным методом (точением и шлифованием). Выгоднее не обрабатывать такие валы после протягивания, а посадки осуществлять изменением предельных размеров отверстия, т.е. применять СВ. - СВ применяют, если на валу с одним номинальным размером установлены детали с разными посадками. - Конструктор должен считаться со стандартными покупными изделиями, присоединительные размеры которых изготовлены в определенной системе. Например, подшипники качения выпускают по присоединительным размерам с отклонениями, которые не зависят от посадки. Следовательно, если по условиям работы наружное кольцо подшипника необходимо устанавливать с различными посадками, то они будут достигаться за счет изменения предельных размеров отверстия, в которое монтируется наружное кольцо подшипника. То есть посадки наружного кольца осуществляется в СВ. По той же причине посадка внутреннего кольца подшипника на вал осуществляется в СА. 2-й принцип. Расположение поля допуска основной детали. Основными будут отверстия в СА и вал в СВ. Расположение полей допусков основных деталей выбрано с целью обеспечения экономии металла, уменьшения массы изделия и упрощения условий получения посадок. Во всех СДП принято одностороннее предельное расположение поля допуска основной детали. Для основного отверстия (отверстия в СА) это означает, что нижнее отклонение равно нулю, а верхнее отклонение всегда положительно и тем больше, чем грубее отверстие. Для основного вала – что его верхнее отклонение равно нулю, а нижнее отклонение – отрицательно. Поле допуска основного отверстия расположено от 0 в +, а – основного вала от 0 в -. Поле допуска основного отверстия обозначается латинской буквой Н и цифрой (тем большей, чем грубее отверстие), а – основного вала буквой h с цифрой. В системе ОСТ поле допуска вала расположено также от 0 в + и обозначается русской буквой А с цифрой в индексе (тем большей, чем грубее отверстие). Поле допуска основного вала в ОСТ расположено аналогично ЕСДП и обозначается буквой В с цифрой в индексе (В1, В, В2а, В3 и т.д.). Для рабочего безразлично, как расположено поле допуска: для него (для обработки) важна абсолютная величина допуска. Выполнение же взаимозаменяемости при другой схеме расположения (например, при симметричной 59 относительно номинала схеме) поля допуска бывает затруднительным. Кроме того, при симметричной системе необходимо при измерении различных основных деталей изменять проходную и непроходную стороны калибров, а при одностороннем расположении можем изменить только непроходной калибр. Это дешевле. 3-й принцип. Единица допуска i. Существующие СДП являются результатом большого систематизированного опыта механической обработки деталей различными методами (точением, шлифованием, фрезерованием и др.) и на разном оборудовании. Многочисленные исследования погрешностей обработки деталей позволили установить, что погрешности обработки Т зависят от диаметра обрабатываемой детали d, методов и режимов обработки. Статистическая обработка экспериментальных данных позволила установить, что зависимости можно представить уравнением: T CX d , (3.37) где С зависит от метода и режима обработки, х – показатель степени. х2,53,5. Принято х = 3. Коэффициент С, например, для шлифованных валов оказался равным С 0,005, а для отверстий – С 0,008. Экспериментальные исследования показали, что допуски в СДП должны изменяться в зависимости от номинальных размеров и фактора, связанного с методом и режимом обработки. Величина допуска еще не говорит о точности деталей, т.к. одна и та же величина на разных диаметрах будет означать малую точность для небольших размеров и высокую точность – для больших. Для сравнения деталей по точности надо исключить влияние диаметров. Проведенная закономерность позволяет выразить допуск СДП в так называемых единицах допуска i и упростить построение таблиц СДП в целом: Т = a i, (3.38) где a – число единиц допуска в допуске или коэффициент точности; зависит от коэффициента С, определяется режимом и методом обработки; i – единица допуска, характеризующая зависимость его от размера. Ее можно применять, как сравнительный масштаб для определения точности. Единица допуска должна быть пропорциональной i d. В системе ОСТ для размеров 1-500 мм принято i 0,53 d , Здесь и далее d в мм, i - в мкм. Коэффициент 0,5 выбран для более удобного представления числа i. В ЕСДП для размеров 1-500 см i равно: 3 i 0,45 d 0,001d . (3.39) 60 Для размеров свыше 500 мм зависимость между допуском и диаметров приближается к линейной, поэтому: i = 0,004 d + 2,1. (3.40) В выражении (3.39) дополнительное слагаемое учитывает возрастающие трудности изготовления и измерения деталей больших размеров. 4-й принцип. Уровни точности. В зависимости от величины допуска на неточность изготовления изделий при постоянном номинальном размере различают детали разного уровня точности. Принято, что допуски, полученные одним и тем же методом и режимом обработки, соответствуют одному уровню точности, который характеризуется величиной a . Эта величина установлена по экспериментальным значениям Т для каждой зависимости T = f(d). Уровни точности в системе ОСТ называются классами точности, в ЕСДП – квалитетами. При разработке системы ОСТ было принято за основную степень точности – точность шлифованных деталей, и она отнесена ко второму классу точности. Всего было установлено 18 классов: 02; 03; 04; 05; 06; 07; 08; 09; 1; 2; 2 а; 3; 3а; 4; 5; 7; 8; 9; 6-й класс был временно зарезервирован. Для нормирования точности в ЕСДП предусмотрено 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. Квалитет 01 соответствует самому высокому уровню точности. 17 – самому низкому. Допуски различных номинальных размеров, но одного квалитета характеризуются одним уровнем точности. Значения допусков квалитетов от 5 до 17го определены по формуле (3.38), а для квалитетов 01 – 4 – по специальным формулам в зависимости от диаметра. Таким образом, каждый квалитет (или класс точности) характеризуется определенной величиной a и определяется методом и режимом обработки (таблица 6). Для выражения допусков в различных квалитетах (или классах точности) в принятой единице допуска i было установлено соотношение между координатами кривой шлифованных валов и остальных кривых экспериментальных зависимостей погрешностей обработки от диаметра обработки. По этим соотношениям ординат определены переходные коэффициенты для валов других квалитетов. Эти ординаты приблизительно подчинялись геометрической прогрессии со знаменателем 3 101,6. Таким образом, переход от одного квалитета к следующему соответствует увеличению допуска на 60%. Таблица 8 – Квалитеты и классы точности Квалитеты Коэфф. точночти a Классы точности Квалитеты Коэфф. точности a Классы точности 61 01 0 1 2 3 4 5 6 7 7 10 16 02 03 04 05 06 07 08 1 2 2a 02 03 04 05 06 07 08 09 1 2 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 25 40 64 100 160 250 400 640 1000 1600 валов отв. ~3 ~3 3a 4 ~5 ~5 7 8 9 - 2a ~3 3a 4 ~5 ~5 7 8 9 - Допуски размеров в точных квалитетах рассчитывают по специальным формулам: IT01 = 0,3 + 0,008 d; IT0 = 0,5 + 0,012 d; IT1 = 0,8 + 0,020 d. Допуски размеров 2, 3 и 4-го квалитетов изменяются по геометрической прогрессии, первым и последним членами которой допуски размеров 1-го и 5-го квалитетов. Допуски размеров по квалитетам и классам точности применяются для различных целей: - квалитеты 01-4 предназначены для инструментального производства; квалитеты 01, 0, 1 – для производства концевых мер длины, квалитеты 2, 3, 4 – для калибров, контркалибров (калибров для калибров) и особо точных изделий; - квалитеты 4- 12 предназначены для сопрягаемых деталей и используются в посадках; - квалитеты 13 – 17 предназначены для неответственных, свободных (от посадок) размеров деталей. Выбор уровня точности очень важен, так как он определяет с одной стороны качество и надежность работы соединения и изделия, а с другой – стоимость изделия. При выборе уровня точности (квалитета, класса точности) надо учитывать: 1) конструкторские требования – точность объекта, вытекающая из его эксплуатационного назначения и требуемый характер сопряжения деталей; 2) технологию изготовления и сборки изделий и возможные погрешности размеров, формы и расположения поверхностей деталей; 3) методы контроля и возможные погрешности измерения. Квалитеты или классы точности, характеризующие степень точности размеров, определяют необходимость применения тех или иных методов и средств обработки конструкционных материалов. Отверстия 5 и 6 квалитетов и валы 4 и 5 квалитетов 62 могут быть получены тонким шлифованием, тщательной доводкой, суперфинишированием, хонингованием, развертыванием тремя развертками. Детали применяются для особо точных ответственных соединений. Отверстия 7-го квалитета и валы 6 и 7-го квалитетов обрабатываются шлифованием, развертыванием 2-мя развертками, тонким точением, протягиванием. Детали используются для ответственных соединений высокой точности. Отверстия и валы 8 и 9-го квалитетов получают чистовым точением или растачиванием, развертыванием одной разверткой, черновым шлифованием, тонким фрезерованием. Детали используются в соединениях средней точности. Отверстия и валы 10 –12 квалитетов обрабатываются точением, зенкерованием, фрезерованием, строганием. Детали применяются в соединениях малой (низкой) точности. 5 принцип. Интервалы размеров. Для упрощения производства деталей и расчетов посадок номинальные размеры изделий сгруппированы в интервалы, в каждом из которых допуски всех номинальных размеров приняты одинаковыми. Допуск рассчитан по среднему геометрическому размеру в интервале, а сами интервалы подобраны так, чтобы ошибка округления значений допусков не превышала 5-8%. Кроме основных интервалов размеров для некоторых посадок предусмотрены более мелкие, промежуточные интервалы. 6 принцип. Температурный режим при контроле. Допуски и отклонения, указанные в таблицах стандартов, относятся к деталям, размеры которых были определены при температуре t=200С. Эта температура принята за нормальную температуру при измерениях. Чем выше точность, тем меньше допустимые отклонения от нормальной температуры. Температурные условия при измерениях установлены ГОСТом, где предусмотрены допустимые отклонения температуры деталей и средств измерений, время выдержки деталей, освещенность и т.д. Проводятся также определенные мероприятия для уменьшения температурной погрешности при измерениях и контроле. 7 принцип. Поля допусков для посадок. В ISO установлены правила получения полей допусков, в соответствии с которыми они образуются сочетаниями основных отклонений и квалитетов. Например, поля допуска вала Ø30f6 (здесь Ø30 номинальный размер по ряду Ra40, f – основное отклонение вала, 6 – квалитет вала), поле допуска отверстия Ø30F7 (здесь Ø30 то же, F – основное отклонение отверстия, 7 – квалитет отверстия). Основное отклонение определяет одну границу поля, а второе отклонение зависит от квалитета (и номинального размера). Если основным отклонением являются верхние отклонения (eS, ES), то нижние отклонения (ei, EI) определяются по выражениям: еi = es - Td; EI = ES –TD. (3.41) (3.42) 63 Если основным отклонением будет нижнее (ei, EI) отклонение, т.е. поле допуска расположения выше линии номинального размера и оба отклонения положительны, то верхние (es, ES) отклонения можно рассчитать по выражениям: es = ei + Td; ES = EI +TD (3.43) (3.44) Основные отклонения валов рассчитывают по специальным 0,44 0,41 полуэмпирическим формулам (например, d = -16dn , e = -11 dn , f = -5,5 dn0,41,k = + 0,6 3 d n , n = +5dn0,34 и т.д., dn – среднее геометрическое значение размера из интервала). Основные отклонения зависят только от номинального размера и не зависят от квалитета. На рисунке 11 приведено расположение полей допусков валов, определяемое основными отклонениями от а до zc. Для каждого поля допуска указано только одно отклонение – основное (т.e. ближайшее к линии номинального размера), значение которого для данного размера постоянно для всех квалитетов. Второе (недостающее) отклонение переменно и определяется допуском (т.е. номиналом и квалитетом, см. формулу (3.38)). 64 Рисунок 11 – Основные отклонения валов и отверстий Поля допусков с основными отклонениями а, в, c, cd, d, ef, f, fg, g, h расположены ниже линии номинального размера, т.к. перечисленные основные отклонения отрицательны (кроме h = 0). Такие поля допусков применяют для получения посадок с зазором в системе отверстия. Зазор увеличивается от h к а. Поля допусков валов с основными отклонениями js ,j, к, m, n применяют для переходных посадок. Основное отклонение js означает, что поле допуска 65 располагается симметрично линии номинального размера. Поля допусков валов с основными отклонениями p, r, s, t,u,v, x, y, z, za, zb, zc расположены выше линии номинального размера, т.к. эти отклонения имеют знак плюс. Такие поля допусков применяют для посадок с натягом (натяг увеличивается от p к zc) в системе отверстия. Основные отклонения отверстий определяются из основных отклонений валов по общему и специальному правилу. Общее правило: - для отверстий от А до Н: EI= – es (3.45) - для отверстий от J до ZC: ES= – ei . (3.46) Кроме отверстий N с 9-го до 16-го квалитета (у которых N=0), а также отверстий J, K, M, N (до 8 квл. включительно), P, R, S, T, U, V, X, Z, ZA, ZB, ZC (до 7-го квалитета включительно). Для этих основных отклонений действует специальное правило: ES = – ei + , (3.47) где - поправка, равная разности между допусками рассматриваемого (TN) и более точного квалитета (TN-1): = TN - TN-1. (3.48) Основные отклонения отверстий показаны на рисунке 11 и используются для посадок аналогично указанному для валов. С каждым из 28 основных отклонений может применяться любой из 19 квалитетов. Таким образом, сочетание их позволяет образовывать 28х19=532 поля допуска для валов и столько же для отверстий. Такое большое число полей допусков (посадок) в промышленности не применяют. Поэтому стандартами установлены только определенные, обеспечивающие потребности хозяйства поля допусков. Это так называемый основной отбор полей допусков. Для посадок (1-500 мм) применяют 56 полей допусков валов и 46 полей допусков отверстий. Кроме указанных в основной отбор входят поля допусков с основными отклонениями h (H), квалитетов 01-3 и 13-17 (01-4 и 13-17) и js (JS) (01-4 и 9-17), но они не используются, как правило, для посадок. Кроме того, для диапазона 1-500 мм применяется дополнительный отбор полей допусков, а в основном – выделены предпочтительные поля допусков. Остальные возможные поля допусков считаются специальными. В остальных трех диапазонах размеров (до 1 мм, 500-3150 мм, 3150-10000 мм) установлены поля допусков только основного отбора. Посадки рекомендуется назначать либо в системе отверстия, либо в системе вала, но в обоснованных случаях можно применять посадки в любом сочетании 66 полей допусков. Например, Ø30 F8/k6, здесь - Ø30F8 есть поле допуска отверстия в системе вала, а Ø30k6 есть поле допуска вала в системе отверстия. В системе ОСТ стандартизированы поля допусков, которые обозначаются русскими буквами, в индексе которых указывают класс точности (кроме 2-го, который не обозначают). Например Ø30А1, Ø30Х, Ø50С3, посадки Ø30А1/Х1, Ø30А2а/Х, Ø50С3/В3 и др. 8 принцип. Поля допусков предпочтительного применения. В соответствии с принципом унификации в системе допусков и посадок выделены для размеров 1-500 мм предпочтительные поля допусков. Выделение таких полей допусков повышает уровень унификации изделий, облегчает взаимозаменяемость, создает условия для более экономичного производства мерных режущих инструментов, калибров и др. Таким образом, поля допусков изделий необходимо выбирать в такой последовательности: - поля допусков предпочтительного применения, - поля допусков основного отбора, - дополнительные поля допусков, - специальные поля допусков, назначаемые после технико-экономического обоснования и по разрешению органов стандартизации. В таблицах стандартов (ГОСТ 25347-82 и др.) приводятся предельные отклонения полей допусков основного отбора и дополнительные. Предельных отклонений специальных полей допусков в стандартах нет и их необходимо рассчитывать самим по изложенным правилам. 3.4.2 Особенности точности и взаимозаменяемости некоторых изделий (угловые и конусные детали, детали из пластмасс, изделия химического аппаратостроения) Системы допусков углов, деталей конических соединений и деталей из пластмасс имеют некоторые особенности. Для гладких конических соединений применяют иной набор полей допусков 01, 0,1 – 17 квалитетов (по ГОСТ 25307-82), которые образованы по указанным ранее правилам. Допуски углов и конусов ` обозначаются буквами АТ и могут быть выражены в угловых (АТ и ATα - точное и округленное значения) и линейных (АТh – длина перпендикуляра к стороне угла, АТD – разность диаметров в двух сечениях конуса) величинах в 17 степенях точности. Они обозначаются АТ1 до АТ17: АТ1-АТ5 применяют для особоточных деталей (конусные калибры); АТ6-АТ9 – для деталей высокой точности (хвостовики инструментов); АТ10-АТ12 – детали нормальной точности (концы валов, осей, пазы); АТ13-АТ15 – пониженная точность; АТ16-, АТ17 – грубые детали (свободные размеры). Посадки конических соединений образуются при соединении двух 67 конических деталей, имеющих одинаковый номинальный угол. Характер соединения (посадка) достигается изменением так называемого базорасстояния – осевого расстояния между базовыми плоскостями сопрягаемых конусов. Возможные посадки могут быть получены при различных способах фиксации взаимного положения наружного и внутреннего конусов. Фиксация положения конусов может быть осуществлена: совмещением конструктивных элементов (торцовых поверхностей) конусов; по заданному расстоянию между базовыми плоскостями конусов; по заданному смещению одного из конусов от начального положения; по заданному усилию запрессовки. Поля допусков для гладких соединений деталей из пластмасс установлены ГОСТ 25349-88 по правилам, аналогичным полям допусков металлических деталей. Поля допусков относятся к следующим исходным условиям: температура + 200С, относительная влажность воздуха 50%, время выдержки изделий до начала контроля от 16 часов (до 12-го квалитета), 12 часов (для 12 и 13-го квалитетов), 6 часов (14, 15 квалитеты) и 3 часа (16, 17 квалитеты). Пластмассовые детали, полученные литьем, прессованием и др., могут механически обрабатываться или использоваться без такой обработки. Поля допусков для посадок установлены в 8-11 квалитетах. Применяют стандартные и, дополнительно, поля допусков которых нет в ГОСТ 25347-82, например, k8, k9, k10, k11, х10, у10z10, za10 и т.д. Стандартные, специальные и дополнительные поля допусков применяют в соединениях пластмассовых деталей и соединениях пластмасса – металл. Требования к точности и взаимозаменяемости барботажных и ректификационных колонн, выпарных аппаратов, абсорберов и других изделий химического аппаратостроения обусловлены особенностями их конструкции, производства и функционирования. Химическая емкостная аппаратура характеризуется крупными размерами тонкостенных оболочек, при изготовлении которых в большей степени применяют сварку, методы пластического деформирования (гибку, штамповку, вальцовку и пр.), нежели механическую обработку со снятием стружки. Детали и элементы аппаратуры соединяют не столько по принципу охватывающих-охватываемых поверхностей, сколько встык или внахлест. Велика доля пригоночных работ при монтаже аппаратуры и технологических трубопроводов. Эксплуатационные показатели готового химического аппарата могут быть проверены часто только после подключения его в общую технологическую схему, что ограничивает возможность корректировки функциональных параметров. Базовыми деталями химических аппаратов являются сварные корпусы, обечайки, днища. Точность этих элементов в значительной мере определяет механическую надежность, эффективность работы и трудоемкость производства. При изготовлении обечаек используют листовой прокат из стали, сплавов, цветных металлов. Такие листы поставляются после прокатки с отклонениями по толщине (двухсторонние отклонения), по ширине и длине (отклонения в плюс), с отклонениями от плоскостности (с волнистостью, местными искажениями, 68 скручиванием по диагонали). В обечайках применяют наборы из нескольких листов, поэтому после разметки листы обрезают (газовой, плазменной резкой, гильотиной, строганием и др.) для получения точных размеров, обеспечения параллельности и прямолинейности кромок с целью образования допустимого сварочного зазора. Отклонения от плоскостности частично ликвидируют правкой на многовалковых правильных машинах. Погрешности по толщине листов и часть отклонений от плоскостности не устраняются. После сварки нескольких листов производят гибку на трех- или четырехвалковых машинах для получения царг (часть обечайки) должного диаметра. Точность диаметра аппарата (функциональным является внутренний диаметр аппарата, но при измерениях часто используют наружный диаметр, а деформирование происходит по среднему диаметру) зависит от точности листов, погрешностей сварочных зазоров, погрешностей, возникающих при деформировании и зависящих от толщины листа, от усадки при сварке и других факторов. Как показывают аналитические и экспериментальные данные полная погрешность диаметра аппарата определяется в основном двумя факторами: толщиной листа и диаметром оболочки (в ЕСДП допуск зависит только от диаметра и степени точности!). Точность штампованных и других днищ также зависит от толщины листа и диаметра. Допуски указанных элементов устанавливаются ведомственными стандартами. Для расчета точности сборных элементов, габаритов аппаратов, расположения штуцеров и трубопроводов необходимо использовать теорию размерных цепей (линейных и пространственных). Следует учесть, что при контроле изделий аппаратостроения широко используют косвенные методы измерений: метод “опоясывания” рулеткой для контроля диаметра обечайки, теодолиты для измерений днищ, высот аппаратов, автоколлиматоры и нивелиры для контроля прямолинейных корпусов, гидростатические уровни и др. 3.5 Обозначения допусков и посадок на чертежах. Шероховатость поверхностей 3.5.1 Посадки. Допуски размеров Посадки обычно указывают на сборочных чертежах, допуски – на чертежах деталей. Посадки обозначают прямой или косой дробью, в числителе которой указывают поле допуска или отклонения отверстия, а в знаменателе – поле допуска или отклонения вала. Допуски размеров на чертежах обозначают с помощью отклонений (полей 0 , 016 допуска), которые записывают численно (Ø18+0,027; Ø18-0.027; Ø 18 0,043 ; Ø180,013), условно (Ø18Н8; Ø18h8; Ø18f8; Ø18js8) или смешанно 69 0 , 016 Ø 18Н8(+0,027); Ø18h8(-0,027); Ø18f8( 0,043 ); Ø18js8(0,013)). Численное обозначение допуска часто применяют, если контроль деталей производится универсальными измерительными средствами (штангенинструментами, микрометрическими инструментами, приборами); условное – калибрами. В соответствии с различными вариантами обозначений отклонений посадки (рисунок 12) могут быть указаны численно (Ø18 0,027 0,016 0,043 ), условно H8(0,027) H8 Ø 18Н8/f8; Ø18 f8 или смешанно (Ø18 f8(0,016) ). 0,043 Рисунок 12 – Обозначение посадок и допусков деталей на чертежах Для получения оптимального качества изделий нормируют, указывают в 70 чертежах и контролируют точность линейных и угловых параметров, отклонения формы и расположения поверхностей деталей, волнистость и шероховатость поверхностей. На чертежах деталей обычно указывают: - допуски размеров (линейных и угловых); - допуски формы поверхностей (при необходимости для ответственных поверхностей); - допуски расположения поверхностей детали (при необходимости для ответственных деталей); - шероховатость и (при необходимости) волнистость. На чертежах указывают допуски посадочных и свободных (от посадок) размеров. Допуски посадочных размеров обычно обозначают в виде отклонений (полей допусков) и записывают за номинальным размером. Допуск свободных размеров могут быть обозначены двумя способами: в виде отклонений (полей допусков) у номинальных размеров или общей записью в технических требованиях чертежа. В последнем случае у номинальных размеров отклонения не ставят (так называемые неуказанные предельные отклонения). Предельные отклонения линейных и угловых размеров с неуказанными допусками должны соответствовать ГОСТ 30893.1-2002. На практике используются три варианта назначения неуказанных предельных отклонений размеров. По первому варианту отклонения назначают в зависимости от выбранного класса точности: f (точный), m (средний), с (грубый), v (очень грубый), пример обозначения — ГОСТ 30893.1 — m. По второму и третьему вариантам используют допуски по квалитетам (12, 14, 16, 17 квл.) или по классам точности: t 1(точный), t2(средний), t3 (грубый), t4 (очень грубый). Примеры обозначения на чертежах: «Общие допуски по ГОСТ 30893.1: Н14, h14, ±IT14/2» или «Общие допуски по ГОСТ 30893.1: + t2, - t2, ± t2/2». Обозначения Н14 и t2 относятся к размерам отверстий, h14 и t2 - к размерам валов, ±IT14/2 и t2/2 - к остальным размерам. Наиболее часто применяют первый вариант, при использовании 2-го и 3-го вариантов. Для точеных деталей используют 14 квалитет или класс точности “средний” t2 (обозначение на чертежах дано ранее). 12 квалитет или класс точности “точный” t1 применяют в авиа-, моторо- и приборостроении. 16 и 17 квалитеты и соответствующие классы точности “грубый” t3 и “очень грубый” t4 – в аппаратостроении, при крупных габаритах деталей, для деревянных изделий и т.д. Той же записью в технических требованиях определяется точность фасок, радиусов закруглений и угловых параметров с неуказанными отклонениями. Примеры обозначений допусков углов и конусов даны на рисунке 13а, обозначений посадок в конических соединениях – на рисунке 13б (посадки с фиксацией деталей путем совмещения конструктивных элементов и с фиксацией по заданному осевому расстоянию). 71 Рисунок 13 – Примеры обозначений допусков углов и конусов (а) и посадок в конических соединениях (б) 3.5.2 Допуски формы поверхностей (TF) При отклонениях формы в подвижных соединениях возникает повышенный износ в местах контакта, неравномерность хода, шум; в неподвижных – из-за неравномерности натягов и зазоров снижается прочность соединений, нарушается герметичность, ухудшается центрирование деталей. Отклонения формы отсчитываются от прилегающих профилей и поверхностей: прямых, плоскостей, окружностей, цилиндров, За отклонение формы принимают наибольшее (из всех возможных) расстояние от точек реальной поверхности до прилегающего профиля, Основные термины и определения, относящиеся к допускам формы и расположения поверхностей, установлены ГОСТ 24642-81. Прилегающей прямой называется прямая, касательная к реальному профилю и проведенная так, чтобы расстояние от нее до наиболее удаленной точки поверхности было минимальным. Прилегающей плоскостью называется плоскость, касательная к реальной поверхности и проведенная так, чтобы расстояние от нее до наиболее удаленной точки поверхности было минимальным. Прилегающая окружность: для вала - окружность минимального диаметра d, описанная вокруг реального профиля (сечения) наружной поверхности детали, для отверстия – окружность максимального диаметра D, вписанная в реальный профиль (сечение) внутренней поверхности детали. Прилегающий цилиндр: для вала – цилиндр минимального диаметра d, описанный вокруг реальной наружной поверхности; для отверстия – цилиндр максимального диаметра D, вписанный в реальную внутреннюю поверхность детали. Отклонения формы не должны превышать допускаемого значения – допуска формы, который указывается на чертеже. Допуски формы проставляется на чертеже только в том случае, если они меньше допусков размеров. Если допуски формы не указаны, то отклонения формы могут быть любыми в пределах допуска размера по ГОСТ 30893.2-2002. Допуски формы TF разделяют на общие (комплексные) и частные (дифференцированные). Допуски формы общих видов отклонений обычно указывают условными знаками, частные виды отклонений – текстом на поле чертежа. Условный знак и числовое значение допуска формы заключают в прямоугольную рамку, которую соединяют прямой или ломаной линией (со стрелкой) с поверхностью детали или 72 выносной линией (рисунок 14). Используют допуски (отклонения) прямолинейности, плоскостности, цилиндричности, профиля продольного сечения, круглости. Отклонение от прямолинейности (допуск TFL) характеризуется наибольшим расстоянием от точек профиля до прилегающей прямой (в пределах нормируемого участка), отклонение от плоскостности (TFE) – наибольшим расстоянием от точек реальной поверхности до прилегающей плоскости (в пределах нормируемого участка L). Указанные отклонения применяют обычно к плоским поверхностям. Отклонения от цилиндричности (допуск TFZ) характеризуется наибольшим расстоянием от точек реальной поверхности до прилегающего цилиндра, отклонение от круглости (TFK) – до прилегающей окружности. Как следует из расположения полей допусков цилиндричности и круглости, отклонения формы обычно не больше половины допуска размера, но для некоторых частных видов может достигать полного значения допуска размера. Отклонение профиля продольного сечения (допуска TFP) характеризуется наибольшим расстоянием от точек образующей реального профиля до соответствующей стороны прилегающего профиля в плоскости, проходящей через ось поверхности (в пределах нормируемого участка). Отклонение профиля продольного сечения не может быть больше допуска цилиндричности и половины допуска размера, хотя иногда может достигать и полного его значения. 73 Рисунок 14 –Допуски формы и расположения поверхностей К частным видам отклонений относят овальность, огранку, конусообразность, бочкообразность и седлообразность. Они возникают при изготовлении детали из-за биения шпинделя, смещения центра вращения детали, несовпадения осей шпинделя 74 и задней бабки, прогиба заготовки, деформации передней и задней бабок станков и др. причинам. По ГОСТ 24643-81 для допусков формы установлено 16 степеней точности, числовые значения допусков от одной степени точности к другой изменяются с коэффициентом 5 101,6 . Значения допусков формы следует выбирать на основании теоретических или экспериментальных исследований, исходя из степени влияния погрешностей формы на эксплуатационные характеристики изделий. Для предварительного выбора допусков используют классификацию соединений по степеням относительной геометрической точности: А – нормальная относительная геометрическая точность (допуски TF формы обычно составляют ~30% от допуска размера (для погрешностей типа изогнутость в 2 раза больше – 60%); В – повышенная относительная геометрическая точность (допуски TF формы составляют ~20% допуска размера (~40%); С – высокая относительная геометрическая точность (допуски формы TF составляют ~12,5% допуска размера (~25%)). Рассчитанные значения допусков округляют до стандартных по ГОСТ. 3.5.3 Допуски расположения поверхностей (ТР) Погрешность расположения есть отклонение реального расположения поверхности, оси или плоскости симметрии детали от расположения, определяемого номинальными координирующими размерами на чертеже. Возникающие в процессе изготовления из-за неточностей станков, приспособлений, погрешностей базирования и закрепления заготовок отклонения оказывают часто заметное влияние на работу изделий. Они уменьшают точность взаимного расположения и перемещения деталей (зубчатых колес, конусов, кулачков, поступательных пар, шарниров, подшипников и т.д.), изменяют зазоры и натяги в соединениях, увеличивают трудоемкость сборочных и ремонтных работ. Поэтому на чертежах допуски расположения ответственных поверхностей должны быть указаны. Отклонения расположения поверхностей (осей, плоскостей симметрии) измеряют (определяют) относительно баз. Базами могут быть поверхности (наиболее точные или протяженные), оси поверхностей (оси вращения), плоскости симметрии, общие оси нескольких поверхностей и общие плоскости симметрии. При оценке погрешностей расположения отклонения формы поверхностей, как правило, не учитываются, а реальные поверхности заменяются прилегающими. Для этого применяют измерительные средства и приспособления, имитирующие прилегающие поверхности (оправки, угольники, плиты, поверочные линейки, 75 комплексные калибры) или используют специальную математическую обработку результатов измерений. Отклонения расположения характеризуются наибольшим значением погрешности, полученным при измерении на всей длине нормируемой поверхности или оговоренном участке. Отклонение не должно превышать указанного на чертеже независимого допуска расположения. Допуски расположения (и допуски формы) разделяют на независимые и зависимые. Независимым называют допуск, значение которого не зависит от действительных размеров нормируемой или базовой поверхности. Он одинаков для всех деталей, изготовляемых по данному чертежу. Отклонение расположения поверхностей любой годной детали не должно быть больше указанного в чертеже значения допуска. В технике могут быть ситуации, когда деталь соответствует эксплуатационным требованиям (например, легко собирается с парной деталью), а погрешность расположения поверхностей детали больше указанного в чертеже допуска. Такое возможно, если увеличенная погрешность расположения может быть скомпенсирована за счет дополнительного зазора, который появляется из-за уменьшенного действительного размера поверхности. Допуск расположения, значение которого зависит от действительных размеров нормируемой или базовой поверхности, называется зависимым; он непостоянен и изменяется от одной детали к другой. Зависимый допуск ТРзав. является переменной величиной: ТРзав = ТРр + ТРдоп., (3.49) где ТРр – значение допуска по чертежу; ТРдоп. – переменная дополнительная часть зависимого допуска, равная модулю разности между действительным размером dд, Dд и проходным пределом (наибольшим предельным размером вала d max или наименьшим предельным размером отверстия Dmin): ТРдоп.= dmax - dд или ТРдоп = Dд - Dmin. (3.50) Наибольшее значение Тзав,mах допуска расположения будет при dд = dmin и Dд = Dmin : ТРзав.max = ТРр + Td (или TD). (3.51) Если допуск расположения является зависимым от действительных размеров и нормируемый, и базовой поверхности, то значение его соответственно увеличивается, достигая ТРзав.max = ТРр + Td (TD) + Td базы (TD базы). (3.52) 76 Зависимый допуск обозначается знаком М и в кружке после числового значения допуска, а при необходимости, и после обозначения базы. Зависимые допуски обычно назначают для деталей соединений с гарантированным зазором, которые должны отвечать требованию собираемости. Указываемое на чертеже наименьшее значение допуска рассчитывается, исходя из наименьшего зазора. Зависимые допуски экономичней в производстве, так как позволяют увеличить выход годных деталей, применять производительный контроль деталей с помощью комплексных калибров. Независимые допуски расположения используют, если кроме собираемости необходимо обеспечить определенные эксплуатационные требования: долговечность подшипников качения, зацепление и плавность работы зубчатых передач и т.д. Стандартом установлено 13 видов отклонений (допусков) расположения (среди них 6 видов суммарных отклонений формы и расположения), которые на чертежах обозначаются условными знаками или указываются в технических требованиях. Условные знаки отклонений, числовое значение допуска, буквенное обозначение базы и некоторые дополнительные обозначения указывают в прямоугольной рамке, которую соединяют прямой или ломаной линией со стрелкой (указывающей направление измерения) с поверхностью детали или выносной линией (см. рисунок 14). Если допуск расположения относится к поверхности или профилю, то линию со стрелкой располагают на некотором расстоянии от размерной линии, если – к оси или плоскости симметрии, то она должна быть продолжением размерной линии. Базы на чертеже обозначают равносторонним треугольником и буквой в рамке; базой может быть ось или плоскость симметрии, обозначение базы тогда совмещают с размерной линией. Если базой является поверхность, то обозначение базы отделено от размерной линии. Допуски соосности, симметричности, пересечения осей и позиционный могут быть заданы в радиусном (обозначение R и Т/2) или диаметральном (обозначение для соосности и позиционного допуска и Т для симметричности и пересечения осей) выражениях, которые отличаются в два раза. В необходимых случаях поле допуска расположения должно распространяться за пределы поверхности детали (например, необходимо обеспечить правильное положение выступающего конца длинного вала, установленного в отверстие). Тогда длину и расположение выступающего поля допуска нормируемой поверхности указывают тонкими линиями и после числового значения допуска расположения ставят знак Р в кружке. Допуск параллельности (ТРА). К отклонениям от параллельности относят отклонения от параллельности плоскостей, осей, оси и плоскости, суммарное отклонение от параллельности и плоскостности. Под отклонением от параллельности плоскостей понимают разность наибольшего и наименьшего расстояний между прилегающими плоскостями в 77 пределах нормируемого участка. Аналогично определяются отклонения от параллельности осей, оси и плоскости. Отклонение осей на плоскости является частным случаем отклонения осей в 2 Δу2 отклонения осей (х) в пространстве, т.е. геометрической суммой = Δx плоскости, общей для двух осей, и отклонения (у) в плоскости, перпендикулярной к общей. Допуск перпендикулярности (TPR), торцевое биение (ТСА). К отклонениям от перпендикулярности относят отклонения от перпендикулярности плоскостей, осей, оси или плоскости, суммарное отклонение от перпендикулярности и плоскостности. Отклонение от перпендикулярности плоскостей есть отклонение угла между прилегающими плоскостями от прямого угла. Отклонения измеряют в мм на длине нормируемого участка. Аналогично определяются и другие отклонения от перпендикулярности. Торцевое биение есть разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реального профиля торцовой поверхности до плоскости, перпендикулярной базовой оси, на заданном любом диаметре. Торцовое биение включает отклонение от перпендикулярности и часть отклонений от плоскостности для точек, расположенных на одном диаметре. Полное торцовое биение есть разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реальной торцовой поверхности до плоскости, перпендикулярной базовой оси. Наибольший отсчет может быть на одном диаметре, а наименьший на другом. Допуск полного торцового биения является суммарным допуском перпендикулярности и плоскостности торца. Допуск наклона (TPN). Точность угловых размеров на чертежах может быть указана в виде предельных отклонений от номинального значения угла в угловых единицах или с помощью допуска наклона. Отклонение наклона есть отклонение угла между прилегающей плоскостью (осью) и базовой плоскостью (осью) от номинального значения угла. Выражается в мм на длине нормируемого участка. Значение угла в таких случаях указывают в прямоугольной рамке. Допуск соосности (ТРС), радиальное биение (TCR). Эти отклонения характеризуют точность расположения номинально соосных поверхностей. Отклонение от соосности есть наибольшее расстояние между осью рассматриваемой поверхности и осью базовой поверхности или общей осью нескольких базовых поверхностей. Допуски соосности (с 1 по 12 степени точности) задаются в диаметральном (знак ) или радиусном (знак R) выражениях, которые отличаются в два раза. Радиальное биение есть разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реального профиля в сечении, перпендикулярном оси, до базовой оси. Для идеального круглого профиля радиальное биение равно удвоенному расстоянию между базовой осью и осью цилиндра (допуск соосности). Для реального профиля биение будет больше за счет отклонения от круглости, поэтому радиальное биение 78 является результатом совместного проявления отклонения от соосности и отклонения от круглости. Полное радиальное биение есть разность наибольшего и наименьшего расстояний (в различных сечениях) от точек реальной поверхности до базовой оси. Полное радиальное биение включает отклонение от соосности и отклонение от цилиндричности. Допуск симметричности (TPS). Отклонение симметричности характеризует точность расположения элементов детали, плоскости симметрии которых номинально совпадают. Отклонение от симметричности относительно базовой плоскости симметрии есть наибольшее расстояние между плоскостью симметрии элемента (поверхности) и плоскости симметрии базового элемента (поверхности). Допуски могут устанавливаться в диаметральном (знак Т) и радиусном выражении (знак Т/2). Допуск пересечения осей (ТРХ). Это отклонение характеризует точность расположения валов или отверстий, оси которых номинально пересекаются. Например, оси валов с шестернями в конической зубчатой передаче. Отклонение от пересечения осей есть наименьшее расстояние между осями, которые номинально пересекаются. Допуск может быть дан в диаметральном (знак Т) или радиусном (знак Т/2) выражении. Позиционный допуск (ТРР). Эти отклонения характеризуют точность расположения нескольких элементов (отверстий, осей, пазов, плоскостей симметрии), номинальное положение которых на чертеже задается координирующими размерами. Точность расположения этих элементов (обычно отверстий под крепежные детали) может быть оговорена на чертеже или в виде позиционного допуска, или предельными отклонениями координирующих размеров. Обычно позиционные допуски (устанавливаемые в диаметральном (знак Ø) или радиальном (знак R) выражениях) используются для нормирования точности расположения отверстий под болты, винты, шпильки, штифты. Позиционные допуски рассчитывают для обеспечения собираемости, исходя из минимального зазора. Следовательно, такие допуски и отклонения будут зависимыми (знак М). Для отверстий под крепежные детали (типа болт) позиционный допуск (в диаметральном выражении Ø) не превышает минимального зазора (половины Smin/2 для деталей типа шпилька). Предельные отклонения рассчитываются по позиционному допуску ТРР и составляют от 0,35Т до 1Т. Допуски формы заданного профиля (TCL) и формы заданной поверхности (ТСЕ). Эти суммарные отклонения характеризуют как погрешности размеров и формы криволинейных поверхностей (шаблонов, кулачков, копиров), так и расположение этих поверхностей относительно баз. Отсчитываются отклонения от номинального положения профиля, которое задается координирующими размерами отдельных точек или элементов. Отклонения формы заданного профиля характеризуют отклонения от номинального профиля (и используются для плоских деталей), а отклонения формы заданной поверхности – от номинальной поверхности (и используются для объемных криволинейных поверхностей). Они могут 79 устанавливаться в радиусном (знак Т/2) или диаметральном выражении (знак Т). 3.5.4 Шероховатость поверхностей При обработке изделий (точением, сверлением, фрезерованием, шлифованием и др.) на поверхности деталей образуются небольшие, часто повторяющиеся неровности. Совокупность таких неровностей с относительно малыми (отношение шага неровностей к их высоте менее 40) шагами называют шероховатостью поверхности. Неровности с большими шагами относят к волнистости, с очень большими – к отклонениям формы. Неровности на обработанных поверхностях (следы обработки) возникают изза деформаций поверхностных слоев материала, неровностей режущих лезвий инструментов и трения его о деталь, вырывания с поверхности частиц материала и других факторов. Величина неровностей зависит от метода, условий и режимов обработки, свойств материала детали и инструмента, геометрии инструментов и других факторов. Шероховатость поверхностей оказывает влияние на трение и износ деталей, изменяет эффективные зазоры и натяги в соединениях, уменьшает прочность деталей при переменных нагрузках, ухудшает стойкость деталей при коррозии, влияет на плотность, герметичность и другие показатели. Для количественного описания шероховатости используют несколько параметров по ГОСТ 2789-73 (распространяется на все поверхности, кроме ворсистых), которые характеризуют отдельные свойства шероховатых поверхностей. Параметры оцениваются по неровностям профиля (сечения в плоскости, нормальной к поверхности), который может быть получен на приборе – профилографе с увеличением в несколько тысяч раз. Отклонения (параметры) профиля отсчитываются от средней линии (m – m) профиля (проведенной так, чтобы сумма квадратов расстояний каждой точки профиля до средней линии была минимальна) в пределах базовой длины l (выбирается так, чтобы при определении параметров не учитывались неровности с большим шагом – волнистость). Параметры шероховатости (рисунок 15) разделяются на высотные (характеризуют неровности по высоте): Rа, Rz, Rmax, и шаговые, (характеризуют неровности по длине): S, Sm, tp. Последний параметр характеризует также форму неровностей. 80 Рисунок 15 – Шероховатость поверхностей Среднее арифметическое отклонение профиля R a – среднее арифметическое абсолютных (без учета направления) значений отклонений уi профиля до средней 81 линии по нормали к ней: y 1 i y R d l a i l0 h . l (3.53) Высота неровностей по десяти точкам Rz – среднее расстояние между наивысшими пятью точками выступов и наименьшими пятью точками впадин. Rz характеризует среднюю высоту неровностей: 1 R h h z imax jmin , 5 5 5 (3.54) где himax и hjmin – см. рисунок 15. Параметры R a и Rz применяются в чертежах наиболее часто. Причем параметр R a , учитывающий положение каждой точки профиля (интегральный показатель) более полно определяет шероховатость, нежели Rz, и поэтому рекомендуется к применению. Наибольшая высота неровности профиля Rmax – расстояние (в пределах базовой длины) между линией выступов, проведенной параллельно (эквидистантно) средней линии через наивысшую точку профиля, и линией впадин, проведенной через наинизшую точку профиля. Средний шаг неровностей профиля Sm – среднее арифметическое значение шага неровностей по средней линии профиля (в пределах базовой длины). Средний шаг неровностей профиля по вершинам S (см. рисунок 15) – среднее арифметическое значение (в пределах базовой длины) шага неровностей по вершинам. Относительная опорная длина профиля tp – отношение опорной длины профиля к базовой длине l при уровне сечения р (р в % от R max). Опорная длина профиля складывается из отрезков вi (см. рисунок 15), отсекаемых линией сечения (эквидистантной средней линией профиля) в материале детали и расположенной на заданном расстоянии Р (уровень сечения р = Р/ Rmax 100%) от линии выступов. Для каждой поверхности в зависимости от ее формы (закругленные или острые неровности) будет своя кривая изменения tp в зависимости от р. Всегда t00. т.к. линия сечения совпадает с линией выступов ( вi 0 , см. рисунок 15) и t100100, т.к. линия сечения совпадает с линией впадин. С целью качественного сравнения шероховатости поверхностей в зависимости от значения R a или Rz установлены классы (с 1 по 14-й) шероховатости. 1-й класс – для самых шероховатых (грубых) поверхностей, 14-й – для самых чистых (гладких). На чертежах классы шероховатости не обозначаются, а указываются только значения параметров ( R a , Rz, Rmax в мкм; Sm, S в мм; tp в %). Для обозначения шероховатости на поверхностях деталей использовали до 82 недавнего времени один из трех знаков: . Знак применяли, если метод получения поверхности не установлен, знак - если поверхность должна быть получена с удалением слоя материала (точение, фрезерование, шлифование, травление и др.), знак - если поверхность должна быть получена без удаления поверхностного слоя материала (литье, штамповка, обкатка шариком или роликом и др.). Ранее над выбранным знаком указывали стандартные значения параметра или параметров, справа от знака (при необходимости) – направление неровностей, базовую длину и (на полке знака) способ обработки (если он является единственно возможным) или другие дополнительные сведения для обработки. В соответствии с изменением №3 к ГОСТ 2.309-73 (изменение соответствует стандарту ИСО 1302) шероховатость обозначается теми же знаками, но обязательно с полкой (см. рисунок 15). Условные обозначения направления неровностей (если это необходимо по условию функционирования), базовую длину (при необходимости) и параметр (параметры) шероховатости (последнее обязательно) записывают под полкой знака аналогично указанному на рисунке 15. На полке знака указывают (при необходимости) способ обработки как и ранее. При применении знака без обозначения параметра и способа обработки его изображают без полки. Все параметры шероховатости (ранее кроме параметра R a ), записывают со своими буквенными обозначениями, причем значения R a , Rz, Rmax - в мкм (микрометрах), Sm, S в мм; tp в %. Знак шероховатости с числовым значением параметра помещенный в правом верхнем углу чертежа означает, что все поверхности (кругом) детали обработаны с указанной шероховатостью, или часть поверхностей (“остальные”), кроме поверхностей с обозначенной шероховатостью, обработана в соответствии со значением параметра в углу чертежа. Знак , у которого не записано числовое значение параметра, означает, что поверхность по данному чертежу не обрабатывается. Числовые значения высотных параметров R a и Rz обычно выбирают на основании теоретических и экспериментальных исследований или, предварительно, по величине допуска Т размера в зависимости от относительной геометрической точности соединения: T T T T - нормальная точность, R a 20 ; Rz 5 ; - повышенная точность, R a 40 ; Rz 10 ; T T - высокая точность, R a 80 ; Rz 20 , (3.55) (3.56) (3.57) Полученные значения округляют до стандартных. 3.6 Конструктивно-технологические характеристики, расчет и выбор посадок с натягом 83 Посадки с натягом применяют в неподвижных, неразъемных соединениях для передачи крутящих моментов и сдвигающих усилий. Детали соединений обычно дополнительно не скрепляют, а неподвижность деталей обеспечивается силами трения, возникающими из-за упругих деформаций на соединяемых поверхностях. Рисунок 16 – Посадки с натягом В соответствии с теоретическими расчетами и экспериментальными данными зависимость натяга от номинального диаметра линейна. В посадках с натягом используют поля допусков с основными отклонениями от р до zc (рисунок 16). Nc По величине относительного натяга d посадки с гарантированным натягом можно 84 условно разделить на три группы: 12) Особо тяжелые и тяжелые посадки – Н8/z8; Н8/х8; Н8/u8; Н7/u7 (по ОСТ - А3/Пр33; А2а/Пр22а; А3/Пр23; А/Пр), у них Nс/d1 мкм/мм; 13) средние – Н7/t6; H8/s7; H7/s6; H7/r6 (А3/Пр13; А2а/Пр12а; А/Пр), у них Nс/d~0,5 мкм/мм; 14) легкие - Н7/р6, Н6/r5; Н6/р5 (А/Пл; А1/Пр11), у них Nc/d~0,25 мкм/мм. Группа 1) применяется для передачи значительных крутящих моментов и при больших динамических нагрузках. Прочность деталей должна быть значительна. Например, вагонные колеса на осях. Группа 2) предназначена для передачи примерно вдвое меньших по величине рабочих усилий и в условиях спокойной работы. Например, втулка в головке шатуна компрессора. Группа 3) применяют, когда действующие на детали силы или крутящие моменты малы или совсем отсутствуют, но требуется обеспечить неподвижность соединения (в тех случаях, когда запрессовывают тонкостенные детали и нежелательна деформация). Например, втулка подшипника скольжения в корпусе. Способы соединения деталей в посадках с натягом разделяются на термические и запрессовкой. Запрессовка под прессом – известный способ, не требующий сложного оборудования. К недостаткам способа относят: возможность повреждения поверхностей, потеря формы тонкостенных деталей, необходимость в некоторых случаях мощных прессов, зависимость прочности соединения от шероховатости и других факторов, необходимость входных фасок под углом 100. При термическом способе используют нагрев или охлаждение деталей. Выбор способа сборки деталей определяется конкретными конструктивными и технологическими соображениями (форма и размеры деталей, наличие оборудования, условия сборки и т.д.). Основным методом выбора посадок является расчетный метод (наряду с методами прецедентов и подобия), но в связи со сложностью учета действия всех факторов на прочность соединений рекомендуется опытная проверка посадки. Посадка с натягом рассчитывается из двух условий. Первое условие – условие прочности соединения, т.е. под действием рабочих усилий (Мк или Roc) должна сохраняться относительная неподвижность деталей. Из этого условия определяют минимальный натяг в посадке. Второе условие – условие прочности деталей, т.е. при набольшем натяге напряжения не должны превышать предела текучести материала. По этому условию рассчитывают максимальный натяг в посадке. Разность диаметров вала и отверстия определяет величину натяга. При запрессовке деталей происходит уменьшение диаметра вала по причине упругой деформации на величину 1 и увеличение диаметра отверстия – на 2; при этом натяг N = 1 + 2. Из курса сопротивления материалов (задача Ляме) известно, что относительное изменение диаметра равно: 85 Δ1 c p 1 ; d E1 Δ2 c p 2 , d E2 (3.58) где р – давление на поверхности соприкосновения, возникающие под влиянием натяга; с1 и с2 – коэффициенты Ляме, определяемые: 2 2 d d 1 c μ 1 1 2 2 d d 1 и 2 2 d d 2 c2 2 2 μ 2, d d 2 (3.59) где 1 и 2 – коэффициенты Пуассона (0,3 – сталь, 0,25 – чугун) для материала вала и отверстия; Е1 и Е2 – модули упругости материалов. Тогда: c 1 c 2 N Δ Δ pd 1 2 . E 1 E 2 (3.60) Величину необходимого натяга Nmin рассчитываем, учитывая первое условие. Предполагаем, что соединение передает крутящий момент Мк: d p dlf M М тр к 2 , (3.61) где группа первых сомножителей определяет усилие трения, которое действует касательно к поверхности, Мтр – момент трения. Из (3.61) находим минимальное давление на поверхности контакта: 2M pmin 2 k . πdlf (3.62) Полученное выражение подставляем в (3.60): 2M c 1 c N k 2 min πdlf E 1 E 2 (3.63) Это выражение позволяет рассчитать минимальную величину натяга, необходимую для передачи Мк. Вывод сделан для абсолютно гладких поверхностей, но реальные поверхности имеют определенную шероховатость, средняя высота которой обозначается символом Rz (Rz1, Rz2). После запрессовки неровности сглаживаются, следовательно, размер вала уменьшается на величину примерно Rz 1, а отверстие увеличивается на Rz2. Очевидно, что величина натяга, рассчитанная по результатам измерения отверстия и вала, будет в действительности меньше. Для передачи Мк после запрессовки мы должны получить натяг Nmin, следовательно, до запрессовки натяг должен быть больше на величину поправки: ш 1,2(Rz1 + Rz2), (3.64) 86 где коэффициент 1,2 принят по экспериментальным данным (более точное выражение для поправки дано в специальной литературе или справочнике). С учетом других факторов, снижающих эффективный натяг в соединении, минимально допустимый натяг [Nmin] равен: [Nmin] = Nmin + ш + t + ц + п, (3.65) где t – температурная поправка, которая учитывается, если при рабочей температуре натяг уменьшается; ц – поправка, учитывающая уменьшение натяга под действием центробежных сил; п – поправка, учитывающая условия эксплуатации (удары, вибрация) и возможные распрессовки (по экспериментальным данным). Условие выбора посадки (Nmin пос =Nmin в посадке): Nmin пос[Nmin] Далее, используя второе условие расчета посадки, определяют напряжения, при которых в деталях не появляются пластические деформации. Исходя из теории наибольших касательных напряжений, наибольшие давления на поверхностях контакта вала (р1) и втулки (р2): 2 2 d d 1 p 0,58 σ 1 T 2 1 d 2 2 d d 2 p 0,58 σ 2 T 2 , 2 d 2 и (3.66) где σ T и σ T - пределы текучести для материалов вала и втулки. В качестве максимально допустимого [p] используется меньшее из двух давлений р1 и р2: 1 2 [р] = min р1; р2. Тогда, наибольший натяг Nmax равен: c 1 c 2 N p d max . E E 1 2 (3.67) С учетом поправок на шероховатость ш и температурной t (учитывается, если натяг при рабочей температуре увеличивается) наибольший допустимый натяг [N min] равен: [Nmax] = Nmax + ш - t . (3.68) 87 Второе условие выбора посадки Nmaxпос [Nmax] где Nmaxпос – наибольший натяг в посадке. Для соединения деталей по посадке с натягом необходимо рассчитать усилие запрессовки R или температуру tн (охлаждения) деталей: R = pmaxdlf1, (3.69) где f1 – коэффициент трения при запрессовке, f1 1,151,2f ; pmax давление на контактирующих поверхностях при максимальном натяге Nmaxпос N .пос ш pmax max ; c1 c2 d EE 2 1 (3.70) 1 , 1 N.пос 0 tн max 20 C ; d 1 , 1 N.пос 0 t 20 С max , охл d где - коэффициент линейного расширения [град-1С]. При выборе посадок необходимо обеспечивать запас прочности соединения при эксплуатации, который учитывал бы возможное увеличение рабочих усилий и повторные разборки деталей, а также запас прочности деталей при сборке, который учитывал возможное понижение прочности, перекос деталей при запрессовке, колебания температуры, нестабильность коэффициента трения и т.д. 3.7 Характеристика, расчет и выбор переходных посадок Переходные посадки применяются в неподвижных, разъемных соединениях с целью центрирования деталей. Неподвижность соединения обеспечивается дополнительным креплением деталей шпонками, штифтами, винтами и т.п. Посадки характеризуются малыми величинами зазоров и натягов, что с одной стороны обеспечивает хорошее центрирование деталей (совпадение осей соединяемых поверхностей) и с другой – позволяет относительно легко (вручную или с помощью молотков, съемников) собирать или разбирать детали при эксплуатации (для осмотра, регулировки, смазки, замены и т.д.). 88 Переходные посадки есть только в точных квалитетах (4-7), т.е. не грубее 7 квалитета для валов, так как в более грубых квалитетах могли бы получаться большие величины зазоров и натягов, так что центрирование было бы невозможно и сборка деталей усложнена. К переходным посадкам (рисунок 17) относят поля допусков с основными отклонениями m, n, k, js (N, M, K, JS). Рисунок 17 – Переходные посадки Для конструктора и технолога представляет интерес как величины наибольших зазора и натяга, так доля соединений (вероятность) на сборке, имеющих только зазоры или только натяги. Это так называемый процент зазора или натяга. Знание этих величин позволит с одной стороны конструктору выбирать для чаще 89 разбираемых соединений посадки с большим процентом зазора и с другой – определить технологу трудоемкость сборки. Чем больше процент (вероятность) натяга, тем больше трудоемкость. Погрешность центрирования соединяемых деталей зависит от величины максимального зазора Smax и частоты появления соединений с зазором при сборке. Величина максимального зазора определяется допустимым радиальным биением е втулки на валу, которое, в свою очередь, зависит от эксплуатационного назначения соединения. В зубчатых колесах, например, необходимо ограничивать биение зубчатого венца, в реверсивных механизмах – возможное смещение деталей в пределах зазора для уменьшения динамического воздействия и т.д. Максимальный зазор Smax принимают: 1 1 Smax 2 5e . (3.72) Расчет вероятности (процента) зазоров и натягов в переходных посадках. При расчете обычно предполагают нормальный закон распределения размеров деталей при изготовлении. Распределение величин зазоров и натягов в этом случае также будет подчиняться нормальному закону. Из графика распределения зазоров – натягов следует, что доля соединений с зазором (вероятность зазора) рs равна отношению площади, отсекаемой прямой, проведенной у точки S = 0 к общей площади под кривой (равной 1, т.е. yds 1): - p s . yds/ yds yds 0 0 Соответственно, вероятность (доля соединений) натягов pN равна: 0 pN yds . 2 s s 1 i y exp Очевидно, что рs + pN = 1 и . Полученные интегралы в явном σ σ 2 π 2 2 s виде не берутся, поэтому их вычисляют с помощью нормированной функции Ф(z). Ф(z) равна площади от линии, соответствующей точке Si = Sc до линии в точке Si : z 2 z 1 2 Ф z dz, 2 π0 где z = (3.73) Si Sc - значение переменной z в точке Si; Sc – средний зазор в посадке; σs 90 Si – текущее значение зазора; для переходных посадок при определении р s и pN Si = 0; s – среднее квадратичное отклонение зазора, равное: 1 s (или N) = 6 Td TD . 2 2 (3.74) Вероятность зазоров рs равна: рs = 0,5 - Ф(z), если z 0; рs = 0,5 + Ф(z), если z 0 (т.к. Ф(-z)= - Ф(z)). Аналогично рассчитывается pN. Приведенная методика используется также в теории размерных цепей, при селективной сборке, при планировании запасных деталей, для определения доли зазоров-натягов в заданных пределах, в теории надежности. Подбор посадок для центрирования деталей производится в основном по аналогии с хорошо работающими узлами машин. Обычно посадки назначают тем менее тугие, чем чаще требуется разборка и сборка узла, менее удобна разборка, больше опасность повреждения деталей (например, подшипников качения). Поля допусков переходных посадок в значительной мере перекрываются, что дает возможность использовать в отдельных производствах только часть посадок. “Глухие” посадки (Н6/п5 – точная, Н7/п6 – нормальной точности и предпочтительная посадка, Н8/п7 – пониженная точность) характеризуются наибольшими натягами, при сборке используются прессы, съемники, тяжелые молоты и т.д. Применяют подобные посадки в соединениях, которые редко разбираются, и при передаче больших усилий, при ударах и вибрациях. Например, тяжелонагруженные зубчатые колеса на валах, кондукторные втулки, установочные штифты. “Тугие” посадки (Н6/m5, H7/m6; H8/m7) характеризуются несколько меньшими натягами, обеспечивают хорошее центрирование, при большой длине соединения заменяют “глухие” посадки. “Напряженные” посадки (Н6/к5, Н7/к6, Н8/к7) – применяются чаще других посадок, так как обеспечивают достаточно хорошее центрирование и относительно легкую сборку (с помощью слесарных молотков). Например, зубчатые колеса на валах, стаканы с подшипниками качения в корпусах, быстровращающиеся шкивы на валах. “Плотные” посадки (Н6/js5; H7/js6, H8/js7) – обеспечивают удовлетворительное (при прочих равных условиях) центрирование, сборка деталей осуществляется от руки или с помощью деревянных молотков (киянок). Применяют эти посадки обычно для часто разбираемых соединений или там, где необходима легкая разборка, используют как замену посадок Н/к в длинных соединениях, а также если сборка-разборка затруднена из-за конструктивного устройства. Пример, быстросменные шестерни на валах, длинные стаканы с подшипниками качения. Кроме того, поля допусков переходных посадок широко применяются для установки подшипников качения на валы и в корпуса. 91 3.8 Посадки с зазором Посадки с зазором предназначены для подвижных и неподвижных соединений. Они есть во всех квалитетах для посадок – с 3 по 12 (рисунок 18). Сюда относят посадки с основными отклонениями h, g, f, e, d, c, в, a (H, G, F, E, D, C, B, A). Рисунок 18 – Посадки с зазором Посадки рассчитаны на следующие условия их применения: нормальный температурный режим работы, близкие коэффициенты линейных расширений материалов деталей, отношение длины соединения к диаметру ~1. Посадки с зазором характеризуются гарантированным или наименьшим зазором, который определяется основным отклонением. Для выбора посадок с зазором используют (в разной степени) все известные 92 четыре метода: прецедентов, подобия, технологических возможностей и расчетный. Расчетный метод (наиболее предпочтительный) основывается на принципе функциональной взаимозаменяемости. В посадках с зазором расчетным методом обычно подбирают посадки для подшипников скольжения жидкостного трения и допуски функциональных параметров. Посадки H/h – “Скользящие”. Есть во всех квалитетах 3-12. Гарантированный зазор равен нулю, Smin = 0. Посадки применяются в подвижных и неподвижных соединениях. В неподвижных соединениях для целей центрирования деталей и при необходимости частой разборки. Скользящие посадки заменяют переходные посадки в грубых квалитетах: 8 – 12 квл. В подвижных соединениях применяют для деталей, перемещающихся продольно с небольшой скоростью или на небольшом участке, при повышенных требованиях к точности направления перемещения, для деталей, которые должны легко передвигаться при настройках и регулировках. Особоточные посадки H5/h4; H6/h5 применяют в неподвижных соединениях при особовысоких требованиях к соосности и необходимости частой или легкой разборки, например, эталонные колеса на валах зубоизмерительных приборов. В подвижных соединениях такие посадки применяют для продольного перемещения деталей при особовысоких требованиях к точности направления, например, пиноль в корпусе задней бабки токарного станка. Точные посадки H7/h6, H8/h7 применяют в неподвижных соединениях для часто разбираемых деталей при высоких требованиях к соосности. Например, H7/h6 – сменные шестерни в гитаре токарного станка, H8/h7 – для центрирующих поверхностей при несколько пониженных требованиях к центрированию. В подвижных соединениях такие посадки применяют для пар поступательного движения при высоких требованиях к точности движения. Например, штоки гидроили пневмоцилиндров в направляющих втулках. Посадки средней точности H8/h8; H9/h8; H9/h9; H8/h9 в неподвижных соединениях применяют при невысоких требованиях к соосности устанавливаемых на валы деталей, передающих крутящие моменты. Например, для шкивов, зубчатых колес средней точности, в центрирующих выступах и заточках на фланцевых соединениях. В подвижных соединениях используют при продольных перемещениях и медленных вращательных движениях. Например, штоки в направляющих средней точности, шарниры, ролики на осях. Посадки малой точности H10/h9; H10/h10; H11/h11; H12/h12 применяют для центрирующих фланцев, крышек, сопряжений, подлежащих сварке или пайке. В подвижных соединениях используют для неответственных шарниров, роликов, деталей перемещаемых при регулировках и настройках. Посадки H/g (или G/h) – “Движения”. Они установлены только в точных квалитетах с 4 по 6 (для отверстий по 7-ой квл. включительно), характеризуются малым гарантированным зазором. Используют в подвижных и неподвижных соединениях. В подвижных применяют, если условие соосности или плотности 93 требует малого зазора, величина которого должна быть достаточна для свободного перемещения деталей. Например, H7/g6 – соединения ударника и ствола в отбойном молотке, H6/g5 – золотниковое распределение. В неподвижных соединениях посадку используют для обеспечения особолегкой смены деталей при повышенных требованиях к соосности. Например, быстросменные втулки в сверлильных приспособлениях. Посадки H/f (F/h) –“ходовые” установлены с 6-го по 9-й квалитеты. Характеризуются средним гарантированным зазором, достаточным для обеспечения свободного вращения в подшипниках скольжения при легких и средних режимах: скорости до 150 рад/с, средние нагрузки, небольшие температурные деформации, а также для продольного перемещения в соединениях поршень-цилиндр. Посадка повышенной точности H6/f6 применяется при повышенных требованиях к точности центрирования и вращения. Например, шейки распределительного вала автодвигателя. Посадка высокой точности H7/f6, H7/f7, H8/f7 применяют для подшипников при средней постоянной скорости вращения в точных соединениях – подшипники в коробках передач металлорежущих станков, малых электромашин, центробежных насосов, в парах возвратно-поступательного движения – поршни в цилиндрах компрессоров, гидропрессов. Посадки пониженной точности H8/f8; H8/f9; H9/f9 предназначены для соединений при невысоких требованиях к точности. Они применяются для подшипников скольжения при значительных скоростях скольжения, в крупных валах подшипников тяжелого машиностроения, для многоопорных валов, при длинных или широко расставленных опорах, для направления штоков и поршней в цилиндрах с дополнительным направлением штоков, для плунжерных скалок в сальниках, для центрирования крышек цилиндров. Например, подшипники скольжения центробежных насосов, плунжеры в цилиндрах домкратов, поршневой шток в грунд-буксе сальника. Посадки Н/е (Е/h) – “легкоходовые” установлены с 7-го по 9-й квалитет. Характеризуются значительным гарантированным зазором, достаточным для свободного вращения при высоких скоростях вращения (свыше 150 рад/с) и значительных нагрузках, а также при осложненных условиях монтажа (разнесенные опоры, многоопорность, длинные подшипники). Применяются для пар возвратнопоступательного движения со значительной скоростью и в неподвижных соединениях для легкой установки и регулировки. Посадки высокой точности Н6/е7, Н7/е7 предназначены в основном для подшипников жидкостного трения в изделиях повышенной точности и долговечности – например, подшипники коленчатых валов автомобильных двигателей. Посадки средней точности Н8/е8, Н7/е8 используют для подшипников скольжения жидкостного трения турбогенераторов, больших электромашин, крупных центробежных насосов, для блоков зубчатых колес на осях в грузовых автомобилях. Посадки пониженной точности Н8/е9, Н9/е9 применяют для менее 94 ответственных подшипников скольжения и в парах поступательного движения, а в неподвижных соединениях, если необходимо увеличить зазоры для компенсации отклонений расположения и температурных деформаций. Посадки H/d (D/h) – “широкоходовые” есть в 8-11 квалитетах. Они характеризуются большим гарантированным зазором, который позволяет компенсировать значительные отклонения расположения и температурные деформации. Применяют для подшипников скольжения и в парах поступательного движения. Посадки повышенной точности H7/d8, H8/d8 предназначены для точных подвижных соединений при тяжелых режимах работы и больших температурных деформациях. Например, подшипники жидкостного трения в турбинах, шаровых мельницах, прокатных станах, поршневые кольца в канавках поршня. Посадки средней точности H8/d9, H9/d9, H9/d10 предназначены для соединений невысокой точности. Например, трансмиссионные валы в подшипниках, поршни в цилиндрах компрессоров. Посадка низкой точности H11/d11 предназначена для подвижных и неподвижных грубо центрированных соединений. Зазоры используются для компенсации отклонений расположения, для размещения защитных покрытий. Например, шпиндели арматуры по внутреннему диаметру, шарниры и ролики на осях, шарниры на тягах, рычагах. Посадки H/c, H/b, H/a (C/h; B/h; A/h) характеризуются очень большими зазорами. Эти посадки есть только в грубых квалитетах 11, 12 (кроме H7/c8 и H8/c8). Большие зазоры необходимы для компенсации больших отклонений расположения, эксплуатационных изменений размеров (температурные деформации, водо- и маслопоглощение у пластмасс), для обеспечения подвижности в условиях запыленности, загрязнения, коррозии. Посадки точные H7/c8, H8/c8 используют, если зазоры в точных соединениях значительно уменьшаются из-за температурных деформаций. Например, поршни в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, подшипники скольжения быстроходных тяжелонагруженных валов в прокатных станах, турбинах, насосах, компрессорах. Посадки Н11/b11, Н12/b12 используют во фланцевых центрирующих соединениях, шарнирах, для сменных рычагов и рукояток; Н11/а11 – в соединениях рессорных и тормозных подвесок, шарнирных неответственных деталях, в щелевых и торцовых уплотнениях на валах (и Н11/d11). 3.9 Расчет и выбор посадок для подшипников скольжения жидкостного трения Приближенный расчет посадки возможен для подшипников, работающих при жидкостном трении, т.е. в условиях, когда слой смазки отделяет цапфу вала от вкладыша подшипника. В таком подшипнике при установившемся режиме работы существует в основном только внутреннее трение смазки. 95 Расчет производится на базе выводов гидродинамической теории трения, основы которой даны в работах Эйлера, Н.П.Петрова, Н.Е.Жуковского, С.П.Чаплыгина. Исходными данными для расчета являются: R – радиальная нагрузка на подшипник, Н; d, l – номинальные диаметр и длина соединения, м; - угловая скорость вала, рад/с, = n/30 (n – число оборотов в минуту); - вязкость масла при рабочей температуре, Нс/м2. Если вал неподвижен и находится на дне вкладыша подшипника, то расстояние между центрами вала и отверстия вкладыша равно половине первоначального зазора – S/2. При вращении вала смазка будет затягиваться в клиновой зазор, возникает повышенное давление PN в масляном слое, которое и поднимает вал – вал “всплывает”. Такой режим работы подшипника называется гидродинамическим. В подшипник с гидростатическим режимом работы давление в слое смазки создается за счет специального насоса. Из курса деталей машин известно, что несущая способность R (H) подшипника определяется по формуле: μω R 2 ldC R, ψ (3.76) где - относительный зазор, = S/d; CR – коэффициент нагруженности подшипника, безразмерная величина, зависящая от положения вала в поле зазора. В таблицах приводится значение CR в зависимости от относительной длины l/d и величины относительного эксцентриситета = 2е/S, где е – абсолютный эксцентриситет в подшипнике при данном зазоре S. При установившемся режиме работы толщина масляного слоя h в месте наибольшего сближения поверхностей определяется при данном зазоре S и в абсолютном эксцентриситете е по выражению: S S 2e S h e 1 1 χ . 2 2 S 2 (3.77) При данном зазоре S величина относительного эксцентриситета может быть определена по таблице в зависимости от отношения /d и значения коэффициента нагруженности CR. Таким образом, толщина масляного слоя h является функцией начального зазора S при постоянных p, d, . Для получения зависимости h = f(S) используем приближенную формулу для CR, предложенную И.Н.Поздовым: m 1 C m R 2, 1χ (3.78) где m1 и m2 – коэффициенты, постоянные для данного отношения /d. Используя выражения S/d и 1 - = 2h/S и подставляя значение CR = 96 pS2/d2 в указанную приближенную формулу для CR, получим искомую связь h и S: 2 Sm pS 1 m 0 , 2 2 d μω 2h (3.79) где р = R/ d среднее удельное двление в масляном слое. Примерный график зависимости h = f(S) показан на рисунке 18. Из зависимости следует: 5) При зазоре, называемом оптимальным Sопт, толщина масляного слоя достигает максимального при данных условиях значения hmax. Используя обычные методы исследования на экстремум, составим уравнение h`=0, решая которое, найдем: S d опт μω m 2 p (3.80) и, преобразовывая h = f(S), hmax = Sопт/4m1/m2 Sопт/4 (3.81) 6) Определенной толщине масляного слоя соответствуют два (или один при малом h) зазора, например, толщина масляного слоя [h] устанавливается при зазорах [Smin] и [Smax]. 7) В подшипнике с начальным (сборочным) зазором Si устанавливающаяся толщина масляного слоя hi из-за износа шейки вала и вкладыша подшипника будет изменяться – вначале возрастать, а затем уменьшаться вплоть до разрыва масляной пленки и прекращения режима жидкостного трения (отказ подшипника). Допускаемая толщина масляного слоя [h], при которой еще обеспечивается жидкостное трение, принимается с учетом шероховатости поверхностей вала (Rzd) и отверстия (RzD), погрешностей изготовления и сборки, упругих деформаций деталей: [h] Rzd +RzD + h + hp + hu + hдр, где Rzd, RzD – средняя высота поверхностей вала и вкладыша; hф, hp, hu, hдр – добавки, учитывающие влияние соответственно погрешностей формы и расположения поверхностей, упругого изгиба вала, отклонений скорости, нагрузки, температуры от расчетных значений. При практических расчетах используют упрощенную зависимость: 5R 5R h ad a g [h] = k(Rzd + RzD + hg) = k D (3.82) 97 где к2 – коэффициент запаса по толщине масляной пленки; hg – добавка на неразрывность масляной пленки, hg = 1 3 мкм. Для обеспечения жидкостного трения необходимо, чтобы при любом возможном зазоре устанавливающаяся толщина слоя h была не меньше допустимой: h h . Допустимой минимальной толщине масляной пленки [h] соответствует два зазора: [Smin] – минимальный допустимый зазор и [Smax] – максимальный допустимый. Следовательно, условия подбора посадки: 1) Минимальный зазор Smin в подобранной посадке Smin[Smin] При малых зазорах могут возникнуть автоколебания вала в подшипнике, если 0,3. Относительный эксцентриситет min, который соответствует зазору Smin, должен быть не менее 0,3: min0,3. 2) Максимальный зазор в посадке с учетом износа и поверхностей вала и вкладыша: Smax Smax - 2 (Rzd + RzD) – Тизн или шероховатости Smax Smax - 10 (Rаd + RаD) - Тизн где Тизн – минимальный запас на износ, принимаемый в зависимости от требуемой долговечности (вероятности безотказной работы) и известной скорости изменения зазора. Скорость износа деталей (зазора) в соединении V в общем случае является случайным процессом. Характеристики этого процесса (корреляционная функция KV(t, t) и математическое ожидание V ) могут быть определены по экспериментальным данным. Тогда средний размер зазора S t к моменту эксплуатации t рассчитывается по формуле: t St Sdt. 0 Дисперсия зазора D[St] в партии деталей к моменту t равна: 98 tt 2 D S σ K t, t dtdt t S V . (3.84) 0 0 Вероятность безотказной работы Р(t) подшипника к моменту t равна: S S max t P t 0,5 Ф D . S t (3.85) Величины предельных зазоров [Smax] и [Smin] можно определить двумя методами: решением уравнения (3.79) или с помощью вспомогательной величины Аh. Для подшипника при известных величинах d, R, , d, принимая определенную величину [h], можно определить: Ah 2h μω . d p (3.86) По найденному Аh из графика или таблицы определить минимальный min и максимальный max допустимые эксцентриситеты, при которых толщина масляного слоя равна допустимому значению[h]. Затем рассчитываются искомые значения [Smin] и [Smax], используя выражение (3.77). 3.10 Калибры для контроля деталей гладких цилиндрических соединений. Выбор средств измерения 3.10.1 Назначение и конструкции калибров Калибрами называют бесшкальные измерительные средства, предназначенные для контроля и ограничения отклонений размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей. Их достоинство - в быстроте и надежности контроля. В отличие от универсальных измерительных средств, оснащенных шкалами, калибры не определяют числового значения измеряемой величины. Калибры, предназначенные для проверки и ограничения предельных размеров деталей, позволяют разделить партию деталей на три группы: годные, брак по “завышенным” размерам, брак по “заниженным” размерам. Другие калибры – на две группы: годные и брак. Калибры используются в основном в серийных производствах. В машиностроении применяются предельные калибры, ограничивающие наибольшие и наименьшие размеры, и нормальные калибры, позволяющие судить о годности детали по ощущению (или измерению) зазора между калибром и деталью. 99 Пример нормальных калибров – шаблоны. Калибры для контроля годности гладких отверстий называются калибрамипробками, калибры для контроля гладких валов – калибрами-скобами (Рисунок 19). Эти калибры имеют проходную и непроходную стороны. Деталь считается годной, если под собственным весом калибр проходной стороной проходит, а непроходной – не проходит по измеряемой поверхности. Поверхности калибров должны быть слегка смазаны. Рисунок 19 – Предельные калибры: калибр-пробка и калибр-скоба По назначению калибры подразделяются на рабочие и контрольные (контркалибры). В заводской практике иногда применяют так называемые приемные калибры. Рабочими калибрами пользуются рабочие и контролеры при проверке изделий в процессе изготовления. Проходной калибр (проходная сторона) обозначается и маркируется Р-ПР (или ПР). Непроходной калибр – Р-НЕ (или НЕ). 100 Контрольные калибры (контркалибры) предназначены для проверки размеров и настройки рабочих калибров-скоб. Выпускают только контркалибры-пробки. Рабочие калибры-пробки проверяют универсальными измерительными средствами (оптиметрами, микрокаторами), так как изготовление контркалибров-скоб технологически трудно достижимо и экономически нецелесообразно. Приемными калибрами пользуются, при необходимости, представители заказчика или контролеры завода при окончательной приемке изделий. Эти калибры специально не изготовляют, а подбирают из изношенных проходных рабочих и после доделки используют как приемные. Калибры могут быть нерегулируемыми – для контроля одного размера (до 6 квалитета включительно), и регулируемые (скобы) – переналаживаемые на другие размеры и для компенсации износа (свыше 8-го квалитета включительно). Калибры могут быть также двухсторонние предельные и односторонние предельные, однопредельные и предельные. Основные требования к калибрам: точность, износостойкость, твердость и качество отделки измерительных поверхностей, постоянство рабочих размеров (искусственное старение), наибольшая жесткость при наименьшем весе, быстрота и удобство измерения, антикоррозийность. При конструировании калибров должен соблюдаться принцип подобия (Тейлора), по которому проходные калибры по форме должны быть аналогами сопряженной детали и иметь с ней поверхностный контакт. Длина калибра равна длине детали. Непроходные калибры должны иметь малую измерительную длину и контакт, приближающийся к точечному, для того, чтобы проверять только размер детали. Для осуществления этого принципа желательно применять проходные калибры-кольца и непроходные штихмасы. Если же непроходные калибры будут полной формы (полный цилиндр), то может не обеспечиваться соблюдение границ поля допуска детали. Отклонения от заданной формы в этом случае могут превысить поле допуска (предельный контур). На практике приходится отступать от принципа подобия, так как контроль кольцами малопроизводителен, а штихмасы трудно изготовлять, они быстро теряют точность. Поэтому вместо кольца применяют проходные калибры с широкими измерительными поверхностями, ими контролируют многократно по окружности, имитируя поверхностный контакт. Вместо штихмасов используют неполные пробки и скобы с узкими измерительными поверхностями. Предельные калибры для ступенчатых размеров представляют собой ступенчатые пластины соответствующей формы и имеют обозначение Б (большая стороны – проходная) и М (малая сторона – непроходная). 3.10.2 Допуски калибров На гладкие калибры устанавливают допуски на изготовление и для проходных калибров дополнительно допуски на износ. Нормальные размеры калибров соответствуют предельным размерам изделия. 101 Рисунок 20 – Допуски калибров и контркалибров Расположение полей допусков калибров и контркалибров (которые значительно меньше допусков изделий) показано на рисунке 20. Принятое расположение полей допусков калибров приводит к тому, что часть годных изделий будет необоснованно забракована, а часть негодных изделий будет принята. Изменением положения полей допусков можно изменить соотношение этих частей. Указанное положение оптимально и обеспечивает большую долю неправильно забракованных изделий и меньшую – неправильно принятых изделий. За исполнительный размер, проставляемый на чертеже, принимают: у скоб – 102 наименьшие размеры, у пробок – наибольшие. Отклонения направлены в “тело” детали: у калибров-пробок – от нуля в минус, калибров-скоб – от нуля в плюс. При маркировке на калибр наносится номинальный размер, буквенное обозначение поля допуска, цифровые значения отклонений, тип калибра, знак завода-изготовителя. Устанавливаются допуски контркалибров: К-РП – для проверки проходных размеров скоб (середины полей допусков калибров и контркалибров К-РП и К-НЕ совпадают, допуск контркалибра обозначается Нр); К-НЕ – для проверки непроходных скоб. Эти контркалибры проходные (на грани прохождения); К-П – для контроля износа проходных скоб. Этот контркалибр непроходной для годных скоб. 3.10.3 Выбор измерительных средств При выборе учитывают существующие организационно-технические формы контроля (сплошной или выборочный, приемочный или контроль для управления точностью при изготовлении, ручной, механизированный или автоматический), масштаб производства (единичный, серийный, массовый), конструктивные характеристики измеряемых деталей (габариты, массу, расположение поверхностей, число контролируемых параметров и т.п.), точность изготовления деталей и другие технико-экономические факторы. Выбор средств измерений и условий измерений, обеспечивающих необходимую точность измерений, очень важен для установления соответствия размеров, погрешностей формы и расположения готовой детали требованиям чертежа. Каждый размер может быть измерен несколькими средствами с различными погрешностями измерения. Эти погрешности зависят от конструкции инструмента или прибора, точности изготовления его частей и сборки, условий настройки и применения и т.д. При измерении любым средством невозможно получить абсолютно точного значения, так как за счет случайных и неучтенных систематических ошибок результат измерения будет несколько отклоняться от “истинного” значения в ту или иную сторону. Наибольшее возможное значение этого отклонения называют предельной погрешностью измерения lim. Погрешность годного прибора не должна превышать установленного для него предела [lim], что обеспечивается систематической проверкой точности приборов, надзором за состоянием и использованием измерительной техники, организованным в соответствии с требованиями Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Предположим, что измеряют каким-либо средством годный вал с размером: 1) близким к наибольшему предельному dmax. Вследствие ошибок измерения полученный в результате действительный размер может быть несколько больше (выйдет за границу поля допуска и годный вал будет забракован) или несколько 103 меньше (вал будет принят). Измеряя негодный вал, но с размером 2) также близким к наибольшему предельному, за счет естественных ошибок измерения можно принять негодный вал или забраковать его. Таким образом, из-за погрешности измерения часть годных изделий (n%) будет забракована, часть негодных изделий (m%) – принята, т.е. в партии принятых изделий будут детали с размерами, выходящими за пределы поля допуска. Применение средств измерения с большей предельной погрешностью приводит к увеличению указанных частей (до 6-8% и более) и большему выходу размеров пределы поля допуска (до 0,25 Т). Обычно выход за пределы поля допуска принимают таким, как у калибров. ГОСТ 8.051 устанавливает 15 рядов допускаемых погрешностей измерения. Значения допускаемых погрешностей [] измерения зависят от допуска, т.е. от квалитета и номинального размера, и составляют от 20% до 3035% (у точных квалитетов). Допускаемая погрешность измерения определяет наибольшее значение погрешности измерения, при которой размер, полученный в результате измерения, может быть признан действительным. Допускаемые погрешности учитывают случайные и неустановленные систематические ошибки. Случайная ошибка (погрешность), не превышающая 0,6 [lim], принимается равной двум средним квадратическим отклонениям измерений. При выборе измерительного средства его предельная погрешность [lim] (приблизительно равная и несколько больше цены деления с) не должна быть больше допускаемой погрешности [], составляющей часть (от 1/3 до 1/5; в среднем –1/4) допуска размера: 11 c Δ c T. lim 35 Следовательно, цена деления средства измерения должна быть не больше четверти допуска размера Т: с Т/4. (3.88) Для выбранного средства по относительной погрешности измерения А мет= мет/Т (мет – средняя квадратическая погрешность измерения) можно найти m %, n % и с/Т. Если полученные значения соответствуют требованиям производства и надлежащего качества изделия, то средство измерения принимают. В противоположном случае надо принять более точное средство (и уменьшить m, n, c/T) или сместить приемочные границы внутрь поля допуска на величину с (т.е. установить специальный производственный допуск). Например, 30h9 (-0,052), [] = 0,122 мм, принимаем гладкий микрометр с = 104 0,01; Амет = мет/Т 10%. По таблице: m = 3,13,5%; n = 4,54,75%; с/Т = 0,14; с = 0,140,052 = 0,007. Размеры от 30,007 до 29,955. 3.11 Размерные цепи 3.11.1 Основные понятия размерных цепей Размерной цепью называется совокупность последовательно расположенных размеров (деталей или поверхностей), образующих замкнутый контур и определяющих взаимное положение осей и поверхностей на детали или положение деталей в сборочной единице. Различают детальные и сборочные размерные цепи. В детальной цепи все размеры принадлежат одной детали. Детальные размерные цепи приходится чаще решать инженерам-технологам. В сборочной размерной цепи размеры принадлежат различным деталям. Сборочные размерные цепи чаще решают инженерыконструкторы. Обычно для расчета размерных цепей строят схему размерной цепи в виде замкнутого потока векторов-размеров, включая зазоры, натяги, перекрытия и т.д. Размеры, составляющие размерную цепь, называются звеньями размерной цепи (рисунок 21). По расположению звеньев (см.рисунок 21) размерные цепи бывают линейные (параллельнозвеньевые) – звенья цепи коллинеарны; - плоскостные – звенья цепи компланарны; - пространственные – звенья расположены произвольно в пространстве; - угловые – звеньями цепи являются угловые параметры, выраженные в угловой мере или в виде отношения. Пространственные цепи обычно решают, проектируя звенья на 2 или 3 плоскости, а плоскостные – проектируя на направления одного звена. Размеры или звенья разделяются на составляющие и замыкающие. Замыкающим звеном называется размер, получающийся последним при обработке или сборке, его величина зависит от величин составляющих звеньев. Составляющие звенья могут быть увеличивающими и уменьшающими. Увеличивающими называются звенья, с увеличением которых замыкающее звено увеличивается, уменьшающими – звенья, с увеличением которых замыкающее звено уменьшается. Решение размерной цепи заключается в определении предельных размеров или предельных отклонений размеров (звеньев) в зависимости от конструктивных или технологических требований. 105 Рисунок 21 – Размерные цепи Расчет допусков размерной цепи обычно имеет целью решение одной из следующих задач: прямой и обратной. В первой (прямой) – по установленному допуску замыкающего звена находят оптимальные значения допусков составляющих звеньев. Во второй (обратной) – по установленным допускам составляющих звеньев определяют допуск замыкающего звена. Различают пять методов решения размерных цепей (или методов достижения необходимой точности замыкающего звена): - метод max – min, полной взаимозаменяемости, - метод теоретико-вероятностный, - метод подбора или селективной сборки, - метод пригонки или изготовления по месту одного или нескольких звеньев, - метод регулировки и применения компенсаторов. 106 3.11.2 Метод max – min (полной взаимозаменяемости) Под методом max – min понимается такое решение размерной цепи, при котором детали, размеры которых входят в размерную цепь, без подбора, пригонки обеспечивают достижение заданной точности замыкающего звена. Точность замыкающего звена достигается даже при самых неблагоприятных сочетаниях экстремальных размеров деталей при сборке. При известных номинальных размерах увеличивающих Аiув и уменьшающих Аj ум звеньев номинальный размер замыкающего звена А равен: n m А = i ув - A j ум . (3.89) Предельные размеры замыкающего звена (Аmax – наибольший, Аmin – наименьший) рассчитываются следующим образом: m n Аmax = i ув max - j ум min; m (3.90) n Amin = i ув min - j ум max, (3.91) где Аimax и Аimin – соответственно, наибольший и наименьший предельные размеры i-го увеличивающего звена; Аjmax, Ajmin – аналогично j-го уменьшающего звена, m – число увеличивающих звеньев, n - число уменьшающих звеньев. Вычитая почленно из (3.90) и (3.91) выражение (3.89), получим: m n ES = ES i ув - EI j ум; m (3.92) n EI = EI i ув - ES j ум, (3.93) где ES и EI – верхние и нижние отклонения соответствующих звеньев. Предельные размеры замыкающего звена рассчитываются с помощью отклонений: A A ES ; max (3.94) Amin A EI . (3.95) 107 Вычитая почленно из (3.90) (3.91), получим: m m n n T Ti + Tj = T . ув ум (3.96) Допуск замыкающего звена равен сумме допусков составляющих звеньев. Уравнения (3.89) – (3.96) необходимы для решения обратной задачи. Полученные значения A max и A min сравнивают с допустимыми и, если они существенно отличаются, приступают к решению прямой задачи. При решении прямой задачи бывают известны предельные значения и допуск замыкающего звена [T]. Этот заданный допуск [T] требуется распределить между составляющими звеньями. Распределение производит способами попыток, равных допусков, одной степени точности (одного квалитета). При способе попыток на составляющие звенья назначают экономически целесообразные допуски. Затем рассчитывают допуск замыкающего звена T. Расчетные значения сравнивают с заданным [T] и в случае расхождения вносят коррективы, добиваясь T = [T]. В способе равных допусков допуски всех составляющих звеньев принимаются одинаковыми Т1 = Т2 = . . .= Тm+n = Тс. Этот допуск Тс равен: Тс = [T]/m+n. (3.97) Способ используется для предварительных расчетов. При способе одной степени точности (квалитета) принимают, что все составляющие размеры выполнены по одному квалитету. Учитывая, что Т = ai, по уравнению (3.96) получим: m n m n m n T i a i. i a [T ] = Искомое значение а, определяющее квалитет, равно: m n aT / i, (3.98) где i – единица допуска. По величине а определяют квалитет и затем подбирают такие поля допусков составляющих размеров, чтобы значения замыкающего звена оказались в заданных параметрах. 108 3.11.3 Метод теоретико-вероятностный В этом методе учитывается вероятность сочетания размеров деталей при сборке изделия. Большинство деталей из партии имеют размеры, близкие к среднему, а деталей с размерами, близкими к экстремальным (dmax, dmin) очень мало. Поэтому вероятность сочетания таких экстремальных размеров (принимаемая в методе max – min) очень мала, т.е. детали с подобными размерами (Dmax и dmin; Dmin и dmax) на сборке не встречаются друг с другом. При расчете предельных размеров замыкающего звена используются законы теории вероятностей о математическом ожидании суммы независимых случайных величин. Номинальный размер замыкающего звена рассчитывается по уравнению (3.89). Средний размер Ас замыкающего звена определяют по уравнению A α T / 2 A α T / 2 A α T / 2 , ci i i ci j j c m n (3.99) где Асi и Асj – средние размеры i-го увеличивающего и j-го уменьшающего звеньев; , I, j – коэффициенты относительного смещения замыкающего, i-го и jго звеньев; Т, Тi, Tj – соответствующие допуски. Коэффициент относительного смещения I характеризует смещение центра распределения относительно размера, соответствующего середине поля допуска (рисунок 22). Рисунок 22 – Коэффициенты относительного смещения j и относительного рассеяния i 109 Коэффициенты I определяются опытным путем и равны от –0,2 до +0,3 (минус – для отверстий, + для валов). Коэффициент зависит от I и равен нулю при m+n. Допуск замыкающего звена Т равен: n 1 m 2 2 T λ iT i , λ (3.100) где , i – коэффициенты относительного рассеяния замыкающего и i-го звеньев, Тi - допуск i-го звена. Коэффициент является относительным средним квадратичным отклонением (см. рисунок 22): σ 2 σ λi i i T i/2 T i (3.101) и характеризует степень близости данного распределения к нормальному (для которого i0,33). Коэффициент i (или кi, которые равны кi = 6/Тi = 3i) определяют опытным путем. Для предварительных расчетов можно принять i0,557 (кi 1,5). Коэффициент рассчитывается по i. Если m+n6, то 0,33. Наибольший Amax и наименьший Amin предельные размеры замыкающего звена определяют по уравнениям: Amax = Aс + Т/2; (3.102) Amin = Aс - Т/2 (3.103) Уравнения (3.99) – (3.103) используют для решения обратной задачи и сопоставления полученных значений замыкающего звена с заданными. При необходимости решают прямую задачу, которая включает распределение заданного допуска Т замыкающего звена между составляющими звеньями. Такое распределение производится способами попыток, равных допусков, одной степени точности (квалитета) и экономическим. В способе равных допусков неизвестный допуск составляющих звеньев рассчитывается из уравнения (3.100): T 1 T λ T λ . λ λ m n 2 2 i i i m n 2 i 110 Тогда T λ Ti . mn λ 2 i Если i 0,33, то Тi = [T ] . m n (3.104) (3.105) В способе одной степени точности (квалитета) неизвестную величину а, определяющую квалитет, находят из уравнения (3.100): m n m n m n 1 2 21 2 2 2a 2 2 [ T ] λ T λ a i λ i . ii i i i λ λ λ Тогда a [T ]λ mn λ i . 2 i (3.106) 2 i [T Если i0,33, a = ] mn i . 2 (3.107) При способе экономического обоснования допуски составляющих звеньев рассчитываются таким образом, чтобы сумма стоимости изготовления Ц i деталей была минимальна: m n Ц min . i Способ требует применения вычислительной техники, возможно аналитическое решение с использованием неопределенных множителей Лагранжа. 3.11.4 Метод селективной сборки Заданная точность замыкающего звена достигается подбором деталей по группам. Детали предварительно рассортировывают на рассчитанное число групп ni; на сборке соединяют детали одноименных групп. Метод используется в малозвенных точных цепях (подшипники, поршень-цилиндр). Число групп n равно: 111 mn T i ni [T ] . (3.108) Необходимо выполнить условие: m n T T , i (3.109) j иначе зазоры в группах неодинаковы. 3.11.5 Метод пригонки Заданная точность замыкающего звена достигается пригонкой одной из деталей. Метод используется для точных цепей в единичных или мелкосерийных производствах. Величина компенсации Тк равна: Тк = Т - [Т] . (3.110) Припуск для пригонки не меньше: 1 Ас - Ас 2 Тк . (3.111) 3.11.6 Метод регулирования (компенсаторов) Заданная точность замыкающего звена достигается здесь изменением размера (сменные детали, прокладки, втулки, устройства) одного из звеньев – компенсатора. Метод широко используется во всех производствах для регулирования точных цепей за счет прокладок, втулок и т.д. (редукторы, приводы). Толщина прокладки : [T] . (3.112) Число прокладок z в наборе рассчитывают по уравнению: z Tk δ (3.113) или, если допуск прокладки Тпр велик, по уравнению 112 z Tk δTпр (3.114) Размер одного из звеньев необходимо скорректировать для того, чтобы можно было использовать во всех случаях набор прокладок. 3.11.7 Допуски на расстояния между осями отверстий При расчете допусков на расстояния между осями отверстий в крышках, корпусах, планках и других деталях используют зависимости теории размерных цепей. Точность таких межосевых расстояний на чертежах может быть задана двумя способами: указанием позиционного допуска расположения оси отверстия (рис. 23а) или предельными отклонениями расстояния между осями отверстий (см. рис. 23б,в). В первом случае размеры, координирующие расположение отверстий в деталях, должны быть заключены в прямоугольные рамки (см. рис. 23а). Это означает, что допуски таких размеров необходимо рассчитывать по позиционному допуску расположения. В зависимости от значения допуска (предельных отклонений) выбирают те или иные варианты процессов получения отверстий. Различные допуски межосевых расстояний могут быть обеспечены соответствующими методами обработки. Например, при сверлении по разметке в зависимости от диаметра сверла может быть обеспечена экономическая точность расстояний между отверстиями: мм (возможно: мм); при сверлении по кондуктору (приспособление для сверления в виде шаблона с просверленными отверстиями для направления сверл): 0512 мм; при растачивании на координатно-расточном станке - 02 мм (до 01 мм). Если отверстия в деталях предназначены для установки крепежных деталей (болтов, шпилек, винтов и др.), то допуски межосевых расстояний относят к категории зависимых и обозначают знаком М в кружке (см. рис. 23а,б). К таким соединениям предъявляют только одно требование – требование собираемости, и допуски в этом случае зависят от действительных размеров отверстий или зазоров в соединениях. На чертежах указывают минимальное значение допуска (часть минимального зазора Smin в соединении, см. рис. 23б), которое можно превышать настолько, насколько действительные размеры отверстий больше проходного предела (Dmin). Если отверстия предназначены для установки подшипников, валов, зубчатых передач и т.п., то допуски межосевых расстояний относят к категории независимых. Например, предельные отклонения расстояния между осями отверстия под подшипники в корпусе редуктора (см. рис. 23в, аwa) являются независимыми и принимаются равными (в результате решения векторной цепи зубчатой передачи) fa, где отклонения fa определяют боковой зазор в зубчатой передаче. 113 Рисунок 23 – Допуски на расстояния между осями отверстий Для расчета зависимых допусков на межосевые расстояния рассмотрим болтовое соединения планок, в каждой из которых расположены два отверстия, не связанные с базой (рис. 24). При сверлении отверстий размеры l (см. рис. 24а,б) в планках будут различными из-за неизбежных погрешностей изготовления. Поэтому для обеспечения собираемости между болтами и отверстиями должны быть зазоры достаточные для компенсации возможных несовпадений осей отверстий при сборке планок. Чем больше указанный зазор, тем большими могут быть несовпадения осей отверстий, т.е. большими допускаемые погрешности размера l. Размер зазора зависит от действительного размера отверстия, следовательно допускаемые погрешности (допуски) межосевого расстояния являются зависимыми (от действительных размеров отверстий). Допуски размеров l должны быть выбраны так, чтобы обеспечить собираемость деталей даже при минимальном зазоре Smin. На рисунке 24 показано положение деталей соединения при наибольших смещениях отверстий в планках в противоположных направлениях. Совокупность последовательных размеров образует размерную цепь, поэтому (см. рис. 24б): lmax – lmin = e1 + e2 + e3 + e4, (3.115) 114 где еi – расстояние между осями болтов и отверстий; еi = Si/2. Учитывая наихудшее сочетание размеров деталей, принимаем еi = Smin i/2. (3.116) Рисунок 24 – Допуски на расстояние между двумя отверстиями, не связанными с базой Если отверстия в планках обработаны с одинаковой точностью, то e1 = e2 = e3 = e4 = Smin /2. (3.117) Разность предельных размеров l в (3.115) есть допуск размера Тl, поэтому с учетом (3.117) получим: допуск межосевого расстояния равен двум минимальным 115 зазорам (обозначим такие соединения – типом А): Тl = 2Smin = Smin. (3.118) На чертеже планки должны быть проставлены зависимые отклонения Smin М (см. рисунок 24в) или для обеспечения более легкой сборки несколько меньшие значения. Если болт (шпилька или винт) ввинчивается в одну из планок, то ось резьбового отверстия совпадает с осью болта, т.е. эксцентриситеты e3 и e4 (см. рисунок 24) равны нулю. Тогда допуск межосевого расстояния для таких соединений (с резьбовыми отверстиями в одной из планок) равен минимальному зазору (соединения типа Б): Тl = Smin = Smin/2. (3.119) Следовательно, в соединениях типа Б допуски межосевых расстояний во всех случаях вдвое меньше соответствующих допусков для соединений типа А. Аналогичная методика используется при большем количестве отверстий и ином их расположении. Например, для нескольких отверстий, расположенных в ряд, значения предельных отклонений межосевых расстояний зависит от способа простановки размеров: “цепью” или “лесенкой” (рисунок 25а). Если размеры проставлены “цепью”, то наибольшая погрешность в расположении осей будет между крайними отверстиями. Размер между этими отверстиями будет замыкающим звеном размерной цепи (при n-1 составляющих звенья, n – количество отверстий). Допуск замыкающего звена Тl (размера между крайними отверстиями) равен сумме (n-1) допусков составляющих звеньев: n 1 T l T l n 1 2 Δ i. 1 (3.120) Допуск расстояния между двумя отверстиями Т l равен (см.(3.118)) 2Smin. Подставив это значение Т l в (3.120), получим (см. рисунок 25а): Δ1 Smin (для соединений типа А); n 1 (3.121) S Δ1 min (для соединений типа Б). 2n1 Если размеры проставлены “лесенкой” (см.рисунок 25а), то каждые два последовательных размера (l и 2l, 2l и 3l и т.д.) образуют размерную цепь, замыкающим звеном которой будет неуказываемый размер l. Допуск этого размера будет равен сумме двух допусков составляющих звеньев: 116 Тl = 2Smin = 2 22. Рисунок 25 – Предельные отклонения межосевых расстояний Следовательно, предельные отклонения 2 (см. рисунок 25а) равны: Δ2 Smin 2 (для соединений типа А); 117 (3.122) Δ2 Smin 4 (для соединений типа Б). Сравнивая выражения (3.120) и (3.122), можно увидеть, что простановка размеров “лесенкой” более выгодна, так как допуски межосевых расстояний в такой простановке существенно меньше (если количество отверстий более 3-х). Если расстояния между осями отверстий относительно велики, то используют смешанный способ простановки размеров: большие размеры соединяют “цепью”, а в пределах звена “цепи” – размеры “лесенкой”. При выводе зависимостей (3.121) и (3.122) не была учтена возможность смещения осей отверстий в “поперечном” направлении. Поэтому отклонения 2 и 1 должны быть соответственно уменьшены (см. рисунок 25б): S 2 min Δ 0,35S 3 min(для соединения типа А); 22 (3.123) S 2 Δ min 0,175S (для соединений типа Б). 3 min 24 Расчеты допустимых отклонений межосевых расстояний по изложенной выше методике для четырех отверстий в прямоугольной крышке и отверстий в круглых крышках показаны на рисунке 25в и г. 3.11.8 Расчет функциональных и размерных цепей с учетом времени эксплуатации Функциональными цепями условно называют зависимости типа (3.1), характеризующие связи эксплуатационных показателей Q и функциональных параметров xi (i = 1, n ) машин, аппаратов и др. устройств. Зависимости (3.2) и (3.100) характеризуют качество изготовления и сборки новых изделий, но в процессе эксплуатации показатели Q и замыкающие звенья А размерных цепей иногда изменяются чаще всего в нежелательную сторону. Степень и характер таких деформаций определяются изменениями (износом деталей и т.п.) функциональных параметров. Следовательно, в партии изделий, содержащей новые Э и бывшие в эксплуатации машины, размахи значений TQ и Т будут больше, чем аналогичные размахи ТQ и T в партии новых машин. Кроме механического износа, вызывающего постепенное изменение эксплуатационного показателя или замыкающего звена, очевидно, следует рассматривать любые процессы утраты первоначального качества параметров во времени. Пусть изменение значения функционального параметра xi (размера, зазора, натяга и т.д.) характеризуется скоростью Vi, которая является функцией времени t. Э 118 Тогда: dxi = Vi dt При t=0 (момент сборки), xi = xi0 x it равно: и к моменту времени tэ значение параметра Э tЭ x it Э = xio Vidt. (3.124) 0 Скорость изменения параметра переменна во времени, но для стационарных процессов износа скорость Vi модно представить как случайный процесс, математическое ожидание M[Vi] которого и корреляционная функция KV t, t` могут быть определены по экспериментальным данным. Тогда, используя зависимость (3.124), можно получить выражение для расчета математического ожидания параметра (например, среднего зазора в партии подшипников скольжения) Хit, корреляционной функции K X (t,t`) и дисперсии D[Xit] (см. также формулу 3.85) к моменту эксплуатации: i it t V X X dt; it io i M (3.125) 0 tt` K t, t` K K t, t` dtdt; X X V it io i (3.126) 0 0 t t D[X ] K (t, t`) D[X ] K (t, t)dtdt, it X io V (3.127) it i 0 0 где Хiо – среднее значение параметра (например, зазора) на момент сборки (t=0); D[Xio] – дисперсия на момент сборки. Например, для зазора D[Sio] = 1 2 2 2 2 2 2 T T σ σ σ ;если отв = TD/6 и вала = Td/6, то σ . S D d S отв вала 36 Из выражения (3.127) следует, что зона рассеивания значений параметра (например, зазора) в партии изделий после определенного времени эксплуатации, как правило, больше соответствующей зоны у новых изделий, так как двойной интеграл есть неотрицательная величина и равен нулю лишь для случайных функций с некоррелированными значениями. Зависимости (3.125), (3.126), (3.127) означают, что кривая распределения значений функционального параметра Хi (например, зазора в подшипнике скольжения) смещается (“дрейфует”) вдоль оси Xi в сторону увеличения (рисунок 26), причем дисперсия (зона рассеивания) значений параметра в партии увеличивается. Если для изделия известна предельная граница изменения функционального 119 параметра [Xi], при достижении которой изделие или не работает, или его эксплуатация становится невыгодной потребителю, то “переход” значения параметра за границу [Xi] следует считать отказом изделия по данному параметру. Рисунок 26 – Изменения кривой плотности вероятности Хi со временем эксплуатации t Для любого момента времени можно рассчитать, какая часть изделий из данной партии будет иметь параметры, значения которых “перешли” за уровень [Xi]. Если значение параметра Xi со временем увеличивается, то доля изделий с Xi [Xi] или вероятность отказа θ(t) по данному параметру на базе времени эксплуатации t равна: θ(t) (X it)dx, (3.128) [X i] где (Xit) – плотность распределения Xi в момент времени t. Соответственно, вероятность безотказной работы по параметру P(t) составит: [X i] P(t) 1 θ(t) (X )dx it . (3.129) В изделии могут быть несколько параметров, и суммарное влияние этих параметров на надежность всего изделия будет зависеть от структуры надежности. В случае последовательной структуры вероятность безотказной работы P(t) по всем m параметрам равна: m P (t) P i(t) . 1 (3.130) 120 Закон распределения (Xi) геометрических параметров (размеров деталей) часто оказывается нормальным (закон Гаусса), поэтому вероятность отказа (t) и вероятность безотказной работы P(t) по параметру Xi можно определить, используя нормированную функцию Ф: X X i it θ(t) 0,5 Ф ; D[X ] it (3.131) X X i it P(t) 0,5 Ф ; D[X ] it (3.132) где [Xi] – предельное значение параметра: X it - среднее значение параметра в момент t, рассчитывается по (3.125); D[Xit] – дисперсия параметра в момент t, рассчитывается по (3.127). Для упрощения расчетов по формулам (3.125)-(3.132) в ряде случаев (например, для механического износа) изменение параметра можно представить в виде элементарной случайной функции: Xit = Xio + ViI(t), (3.133) где Vi – случайная величина (скорость изменения), не зависит от времени, (t) – неслучайная функция времени (например, для некоторых деталей тракторов и автомобилей (t) = tn, где 1 n 2). Тогда зависимости (3.125)-(3.127) упрощаются: X it = XioV iψ(t); (3.134) K (t, t`) K ψ (t) ψ (t`) D[V ]; X X i i i it (3.135) 2 D[X ] D[X ] ψ ], it i i(t)D[V i (3.136) io где Vi - математическое ожидание скорости изменения параметра; D[Vi] – дисперсия скорости изменения параметра. Учитывая зависимость (3.1 ), можно предположить, что изменения эксплуатационного показателя Q при эксплуатации также есть случайный процесс, параметры которого определены изменениями n функциональных параметров: Q fQ Xit ; t i= 1, n; n f f Q Q K (t, t`) K (t, t`); Q X it X X 1 i i X X it it` (3.137) (3.138) 121 f Q D[Q ] ] it , t D[X X 1 i X 2 n (3.139) it где значения X it , KX (t,t`), D[Xit] рассчитывают по выражениям (3.125) – (3.127) или (3.134) – (3.136). Зная среднее арифметическое значение эксплуатационного показателя Q t , корреляционную функцию KX (t,t`) и дисперсию D[Qt] к моменту t, можно определить характеристики надежности по эксплуатационному показателю по формулам, аналогичным (3.128), (3.129), (3.131), (3.132). Следует учесть, что любое промышленное изделие имеет не один, а несколько эксплуатационных показателей Qj (j = 1/m) , поэтому качество изделий может быть представлено многомерным вектором, для описания которого должен использоваться соответствующий математический аппарат. it it 3.12 Посадки подшипников качения Долговечность и надежность работы подшипников качения зависит, наряду с прочими условиями, от точности изготовления деталей, точности сборки подшипника и посадок подшипника на вал и в корпусе. В зависимости от точности присоединительных размеров, точности сборки и точности вращения наружного и внутреннего колец, зависящих от точности формы и расположения поверхностей колец (радиальное и торцевое биение, непараллельность торцев), точности формы и размеров тел качения, биения по дорожкам качения предусматриваются следующие классы (по ГОСТ 520-2002) точности подшипников (точность повышается по мере следования): нормальный, 0, 6, 5, 4, 2 (для некоторых подшипников дополнительно установлены классы точности 6Х и Т). В зависимости от уровня вибрации и других технических требований устанавливаются три категории подшипников А, В, С, наивысшая по уровню требований – категория А, наинизшая – С (не предъявляются требования по моменту трения, уровню вибрации, углу контакта и т.д.). Классы точности (кроме 6), категория (кроме С) и, при необходимости, другие характеристики указывают перед номером подшипника. Например, А125-205, где 205 – номер подшипника, А – категория, 1 – ряд момента трения, 2 – группа радиального зазора, 5 – класс точности; А5-205 – то же, но нет требований по моменту трения, а группа зазора нормальная; 6-205 – то же, но категория С и класс точности – 6-й; 205 – то же, но класс точности – 0-й. Классы точности и категории подшипников выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к точности вращения и условий работы. Классы точности нормальный 0 и 6 применяются наиболее часто. Подшипник классов 5 и 4 применяют при больших числах оборотов или для обеспечения высокой точности вращения вала (для шпинделей металлорежущих станков). Подшипники класса 2 – наиболее точные изделия, используют при очень большой частоте вращения и обеспечения особых условий работы (гироскопы, точные приборы, точные 122 механизмы и т.д.). Подшипники качения обладают ограниченной внутренней взаимозаменяемостью, то есть тела качения (шарики, ролики, иголки) и кольца подбирают селективным методом для обеспечения очень малых допусков зазора. Внешняя взаимозаменяемость подшипника по присоединительным размерам наружного и внутреннего колец является полной. Присоединительные размеры подшипника, то есть диаметр отверстия внутреннего кольца и наружный диаметр наружного кольца, выполняют с постоянными для данного интервала размеров отклонениями независимо от выбранной посадки подшипника на вал и в корпусе. Изменение характера соединения внутреннего кольца подшипника на вал обеспечивается изменением предельных размеров вала, т.е. посадки внутреннего кольца берут в системе отверстия. В свою очередь изменение посадки наружного кольца в корпус обеспечивается изменением предельных размеров отверстия в корпусе, т.е. посадки наружного кольца подшипника в корпус принимают по системе вала. Поле допуска наружного кольца подшипника располагается в минус от номинала (так же, как основного вала). Поле допуска внутреннего кольца подшипника располагается в минус от номинала (не так, как у основного отверстия). Для подшипников качения (рисунок 27) применяют переходные посадки (n, v, k, js), скользящие, движения и ходовые (h, g, f). Для точных квалитетов (4-6, 7) посадки наружного кольца подшипника нормального 0 или 6 классов точности отверстия в корпусе выполняют по полям допусков: Р7, N7, M7, K7, JS7, H7, G7 (5, 4 классов – то же 6-го квалитета, 2-го – 5, 4 квалитетов). Для посадки внутреннего кольца подшипника 0 или 6 классов точности валы выполняют с полями допусков r6, p6, n6, m6, k6, js6, h6, g6, f6 (5, 4 классов – то же 5-го квалитета, 2-го – 4, 3 квалитетов). Рисунок 27 – Посадки подшипников качения 123 “Перевернутое” расположение поля допуска L0, L6, L5, L4, L2, внутреннего кольца (по сравнению с расположением поля допуска основного отверстия) принято для того, чтобы не вводить специальных посадок с небольшими натягами для соединения вала с кольцом подшипника. Соединения валов, изготовленных с основными отклонениями n, m, k, с внутренним кольцом дают посадки с гарантированным натягом. Соединения валов, изготовленных с основными отклонениями js, h, g, с внутренним кольцом дают переходные посадки. Вал с основным отклонением f с внутренним кольцом дает посадку с гарантированным зазором, приблизительно соответствующим посадке движения. Валы с основными отклонениями r, p, с внутренним кольцом образуют посадки с относительно большими натягами, которые применяются сравнительно редко при тяжелых режимах работы и крупных подшипниках. Таким образом, посадки по внутреннему кольцу подшипника по сравнению со стандартными изменяют свой характер в сторону уменьшения зазоров (до перехода в натяг) и увеличения натягов. Посадки наружного кольца подшипника сохраняют свой характер. Посадки подшипников качения на вал указываются в виде дроби, в числителе которой записывают поле допуска подшипник L0. L6, L5, L4, L2 (L – обозначение подшипника - Lager, число – класс точности подшипника), а в знаменателе – поле допуска вала в соответствии с выбранной посадкой. Посадка подшипника в корпус указывается дробью, в знаменателях которой записывают поле допуска наружного кольца подшипника l0, l6, l5, l4, l2, а в числителе – поле допуска наружного отверстия. Например, Ø30L0/k6, Ø62H7/l0. Допускается обозначать посадку в виде поля допуска только вала или только отверстия. Например, Ø30к6, Ø62Н7. Отклонения формы и расположения корпусов и валов приводят при установке подшипника к деформации колец и дорожек качения, что нарушает работу узла и уменьшает долговечность подшипника. Для ограничения отклонений формы устанавливают допуски круглости и допуски формы продольного сечения (рисунок 28). Допускается контролировать погрешности формы в виде непостоянства диаметра в продольном и поперечном направлениях. Допуск непостоянства в два раза больше допусков круглости и продольного сечения. Допуск ТF круглости или формы продольного сечения зависит от классов точности подшипника и составляет часть допуска размера Т: для классов “ “ 0,6 TF 1/4 T; 4,5 TF 1/6 T; 2 TF 1/8 T. (3.140) Для ограничения отклонений расположения установлены допуски торцового биения заплечников валов и отверстий (от 0,0025 до 0,08 мм) и допуска соосности посадочных поверхностей (от 0,001 до 0,016 мм для подшипников длиной 10 мм). 124 Торцовые поверхности заплечников являются дополнительной установочной базой, поэтому погрешности расположения этих поверхностей влияют на установку колец, деформацию дорожек качения, работоспособность узла. Отклонения от соосности вместе с другими погрешностями (погрешности в расположении установочных баз, погрешности сборки, деформации деталей и т.п.) приводят к перекосу наружного и внутреннего колец подшипника и увеличению контактных напряжений, и уменьшению долговечности. Для оценки этого влияния решают соответствующие размерные цепи. Рисунок 28 – Допуски размеров, формы, расположения поверхностей и шероховатость деталей под подшипники качения Шероховатость посадочных поверхностей под подшипники –Rа от 0,1 до 1,6 125 (часто 0,8 мкм), шероховатость торцов — Rа от 0,4 до 2,5. Надежность и долговечность работы подшипника зависит в значительной мере от зазора между телами качения и кольцами. Различают радиальные и осевые зазоры. Осевой зазор – величина смещения (в осевом направлении) колец от одного крайнего положения до другого. У радиального подшипника он связан с радиальным зазором. Завод выпускает подшипники с начальным радиальным зазором S. После монтажа подшипника зазор уменьшается на величину деформации колец. Например, если внутреннее кольцо подшипника “посажено” с натягом, то диаметр D увеличивается на D, что уменьшит начальный зазор (или даже “переведет” его в натяг). Получившийся посадочный зазор Sn равен: Sn = S - D. В подшипнике после приложения нагрузки и стабилизации температурного режима устанавливается рабочий зазор Sp. Чем выше нагрузка, тем больше (на R) оказывается рабочий зазор, так как возрастает деформация в месте контакта тел качения и дорожки колец. Под влиянием температуры подшипника (внутреннее кольцо обычно теплее наружного на 5100С) рабочий зазор уменьшается на t. Следовательно, рабочий зазор Sp равен: Sp = S - D - t + R . (3.141) Чем меньше Sp, тем равномернее нагрузка на тела качения, меньше контактные напряжения и больше долговечность подшипника. Изменяя посадку, мы изменяем D, добиваясь Sp0 (или очень малого зазора). Посадки подшипников качения назначаются в зависимости от вида нагружения кольца, величины и характера действующих нагрузок, условий эксплуатации, типа, размеров и конструкции подшипника. Различают три вида нагружения: местное (М), циркуляционное (Ц) и колебательное (К). Местное нагружение – кольцо воспринимает нагрузку ограниченным участком окружности дорожки качения и передает ее соответствующему ограниченному участку посадочной поверхности вала или корпуса. Циркуляционное нагружение - кольцо воспринимает радикальную нагрузку последовательно всей окружностью дорожки качения и передает ее последовательно всей посадочной поверхности вала или корпуса. Колебательное нагружение – равнодействующая двух радиальных нагрузок – постоянной Rn и вращающейся Rв (RnRв), воспринимается ограниченным участком дорожки качения невращающегося кольца передается на ограниченный участок посадочной поверхности. Если кольцо циркуляционно нагружено, то оно монтируется с натягом, чтобы исключить проскальзывание кольца по посадочной поверхности. Наличие зазора 126 между циркуляционно нагруженным кольцом и посадочной поверхностью приводит к истиранию металла и вывальцовыванию подшипника. Используют поля допусков – для валов r6, p6, n6, m6, k6, js6 для отверстий Р7, N7, M7, K7. Посадки выбирают по интенсивности нагружения PR (Н/м): R P K K K , R B 123 2r (3.142) где R – нагрузка на подшипник, В – ширина подшипника, r – радиус закругления (фаска) на кольце, К1 – динамический коэффициент (при нагрузке 150 % К1 - = 1; 300% – 1,8), К2 – коэффициент, учитывающий ослабление натяга у полого вала, К3 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения радиальной нагрузки при наличии осевой нагрузки. Чем больше PR, тем больший натяг должен быть в посадке. При местной нагрузке кольцо монтируют с небольшим зазором или по легкой переходной посадке. Зазоры необходимы для устранения заклинивания тел качения под действием посадочного натяга на другом кольце, а также для обеспечения постепенного проворота кольца по посадочной поверхности под действием случайных толчков и вибрации. Износ беговой дорожки тогда происходит равномерно, что увеличивает долговечность работы подшипника. Используют посадки: для вала h6, g6, f6, для отверстий – JS7, H7, G7. Для циркуляционно нагруженных колец применяют посадки JS7 и js6. Если вал вращается, то внутренне кольцо устанавливают по неподвижной посадке, а наружное – подвижной. Если вал неподвижен, то внутреннее кольцо устанавливают с небольшим зазором, а наружное – неподвижно. Чем больше температура, нагрузка или частота вращения, тем больше натяги должны быть в соединениях и плотнее посадка на вал. 3.13 Взаимозаменяемость резьбовых деталей Резьбовые соединения встречаются в машинах и аппаратах почти так же часто, как и гладкие соединения. Номинальная поверхность резьбы получается перемещением плоской фигуры, соответствующей профилю резьбы, по винтовой линии. Чаще встречается треугольный профиль резьбы (метрическая, дюймовая, трубная), трапецеидальный, неравнобочный (упорный), закругленный (круглый), прямоугольный. Применение каждого из видов профиля зависит от конкретного назначения резьбового соединения. Для разъемных соединений применяются крепежные резьбы (метрическая, круглая), которые должны сохранять прочность соединений в процессе эксплуатации. Для точных перемещений в приборах и станках применяются 127 трапецеидальные и прямоугольные резьбы, для которых важна высокая точность параметров резьбовой пары. Для преобразования вращательного движения в поступательное в прессах, домкратах применяется упорная резьба. Для герметичных соединений применяются трубные и конические резьбы. Общим для всех резьб является требование свинчиваемости – независимо изготовленные резьбовые детали должны свинчиваться без подгонки, при этом должны соблюдаться эксплуатационные качества соединений. Номинальный профиль наиболее распространенной метрической резьбы с треугольным профилем определяется наружным (D, d), средним (D2, d2), внутренним (d1, D1) диаметрами, шагом Р и углом профиля , расположенным симметрично относительно нормали к оси резьбы (рисунок 29а). Для получения наружного диаметра d, D у вершины остроугольного профиля делается срез на расстоянии Н/8, для получения внутреннего диаметра d1, D1 – срез на расстоянии Н/4. Форма впадины резьбы болта может быть плоско срезанной или закругленной. Закругленная форма способствует повышению циклической прочности болта. Впадина у болта не должна выходить за линию плоского среза Н/8 от вершины остроугольного профиля. При закругленной впадине резьбы болта радиус кривизны Rmin 0,125Р. Срез на расстоянии Н/6 является исходным при проектировании резьбообразующих инструментов. По мере износа инструмента впадина резьбы болта будет перемещаться вверх до предельного положения Н/4. Зазор по внутреннему диаметру будет равен нулю. Метрическая резьба делится на резьбу с крупными и с мелкими шагами. Установлено три ряда диаметров (d, D) резьбы, при выборе диаметров 1 ряд надо предпочитать 2-му, 2-ой – 3-ему. У резьбы с крупным шагом каждому диаметру d соответствует определенный шаг Р, определяемый из соотношения: Р 6d1/3 (до 68 мм). У резьбы с мелким шагом одному диаметру могут соответствовать разные шаги (d до 590 мм). Обозначение резьбы на чертежах: М16, М16х1, М16LH. Обязательно за обозначением резьбы указывают поля допусков гайки и болта: М166Н, М16-6g. Для обеспечения свинчиваемости и прочности устанавливают предельные контуры гайки и болта (см. рисунок 29б). При изготовлении деталей возможна погрешность размеров профиля, поэтому для обеспечения взаимозаменяемости действительные контуры деталей должны находиться между предельными контурами на всей длине свинчивания. 128 Рисунок 29 – Метрическая резьба Свинчиваемость резьбовых деталей определяется, в основном, рабочими боковыми сторонами профиля, т.е. средним диаметром и параметрами Р и . Возникающая при обработке погрешность шага и погрешность половины угла профиля могут быть скомпенсированы соответствующим изменением среднего диаметра. Под отклонением шага понимают разность между действительным и номинальным расстоянием в осевом направлении между точками любых боковых 129 сторон профиля. Отклонения шага складывается из прогрессивных, пропорциональных количеству витков, периодических, регулярно повторяющихся и местных погрешностей, не зависимых от количества витков. Обычно прогрессивные погрешности самые большие. Если средние диаметры болта и гайки равны (d2 = D2), то при наличии погрешности шага Р резьбовые детали не свинчиваются, так как витки болта “врезаются” в витки гайки (и наоборот). Рисунок 30 — Диаметральные компенсациии погрешностей шага fa и половины угла профиля fa резьбы Для того, чтобы свинтить подобные резьбовые детали, необходим зазор по среднему диаметру за счет увеличения среднего диаметра гайки или уменьшения среднего диаметра болта (рисунок 30). Этот зазор по среднему диаметру резьбового соединения, достаточный для компенсации погрешности шага Р (обеспечения свинчивания), называется диаметральной компенсацией шага резьбы fp. Из треугольника АБВ (см. рисунок 30): fp3 1 ,73 . (3.143) 130 Δ α 2 может быть вызвано погрешностью Отклонение половины угла профиля всего угла профиля и погрешностью положения профиля (перекос резьбового резца). По ГОСТу профиля: Δ α 2 равна полусумме погрешностей по правой и левой половинкам α1 α α Δ Δ пр Δ лев 22 2 . 2 При наличии погрешности половины угла профиля для обеспечения свинчиваемости и в этом случае необходим зазор по среднему диаметру. Это зазор, Δ α 2 , называется диаметральной достаточный для компенсации погрешности компенсацией погрешности половины угла профиля f . Из треугольника ДОЕ f 0,3 P 2 где f - в мкм, Р – в мм, 2 - в угловых минутах (см.рисунок 30). Таким образом, свинчиваемость резьбовых деталей будет возможна, если разность между средними диаметрами болта и гайки (зазор по среднему диаметру) будет достаточна для компенсации погрешностей шаг и половины угла профиля f, f , f ,f болта и гайки : p 2 p 2 p D2 – d2 f,f ,f,f , или p 2 p 2 p D f f d f f 0 2 2 p 2 2 p (3.144) Средний диаметр резьбы, уменьшенный для гайки и увеличенный для болта на величину диаметральных компенсаций шага и половины угла профиля, называется приведенным диаметром Dпр, dпр. Условие свинчивания – разность приведенных диаметров должна быть не меньше нуля: Dпр. – dпр. 0 (3.145) Так как существует взаимосвязь между средним диаметром резьбы и погрешностями шага и половины угла профиля, то отклонения этих параметров (d2, Р, 2 ) отдельно не нормируются (кроме тугих резьб). Устанавливается суммарный допуск на средний диаметр, который включает допустимые отклонения собственно среднего диаметра d2, D2 и диаметральные компенсации fр и f: 131 Тd2( TD ) = d2(D2) + fр + f. (3.146) 2 Этот суммарный допуск определяет положение предельных контуров резьбы болта и гайки. При известном суммарном допуске Тd2( TD ) и получившихся при 2 обработке Р и 2 разность между Тd2( TD ) и fр, f определяет возможную величину допуска на изготовление собственно среднего диаметра d2(D2): 2 d2(D2) Тd2( TD ) - fр - f. 2 (3.147) Имея в виду большое влияние на свинчиваемость изделий среднего диаметра и резьбы, в основу классификации резьб по степеням точности и посадки принята величина допуска на средний размер и характер взаимодействия по боковым сторонам профиля. В зависимости от характера соединений по боковым сторонам профиля существуют резьбы со скользящими посадками, с гарантированными зазорами, переходными посадками и с натягом. Наиболее часто используются метрические резьбы с зазорами. Метрические резьбы с переходными посадками и с натягом применяют для шпилек, ввинчиваемых в резьбовые гнезда. В метрических резьбах с зазорами установлены основные отклонения болтов и гаек (h, g, f, e, d; H, G, E, F), которые определяют характер соединения и положения полей допусков относительно номинального профиля. Для резьб с данным шагом одноименные основные отклонения для наружного, среднего и внутреннего диаметров резьбы равны. Установлены также степени точности, которые определяют значения допусков диаметров: 3 – 10. Поля допусков диаметров образуются сочетанием степени точности (допуски) и основного отклонения – 6g, 8g, 7H, 6H. Поля допуска резьбы включают поле допуска среднего диаметра и поля допуска внутреннего диаметра для гаек и наружного – для болтов. Например, 5Н6Н, 5g6g. Если обозначения диаметров совпадают, то они указываются один раз – 6Н, 6g. Допуск резьбы относится к наибольшей нормальной (N) длине свинчивания или ко всей длине резьбы, если она меньше N. Длина свинчивания указывается, если она относится к группе L (длинные) или группе S (малые), но меньше, чем длина резьбы. Поля допусков болтов и гаек установлены в трех классах точности: точном, среднем, грубом. При одинаковом классе точности допуск среднего диаметра при длине L рекомендуется увеличивать, при длине свинчивания S – уменьшать на одну степень по сравнению с N. Таблица 9 - Поля допусков болтов и гаек 132 Классы точности Точный Средний Грубый Болты Гайки Длины свинчиваемости Длины свинчиваемости S N L S N L (3h4h) 4h,4g (5h4h) 4H 4H5H, 5H 6H 5h6h,5g6 6h, 6g, 6f, (7h6h), 7g6g, 5H (5G) 6H, 6G 7H, (7G) g 6l, 6d (7l6l) (8h), 8g (9g8g)(9е8е) 7H, 7G 8H, 8G Выбор полей допусков для резьбовых деталей производится в зависимости от их назначения с учетом конструктивных и технологических требований. Точные поля допусков используются, если необходимо малое колебание зазоров, средние – для резьб общего назначения, грубые – для резьб на горячекатаных заготовках, в длинных глухих отверстиях. Посадки обозначаются дробью: М16 – 6Н/6g, М16 6Н/6g – 60 (длина свинчивания L = 60 мм). Поля допусков с основными отклонениями g, H используются для обеспечения легкой свинчиваемости, f, e, d, (G, E, F) – для компенсации температурных деформаций, нанесения антикоррозионных покрытий. Наиболее часто используются предпочтительные поля допусков в посадке 6Н/6g. Для контроля резьб применяют как дифференцированный (поэлементный) метод, так и комплексный. Дифференцированный метод используется для контроля точных резьб: резьбовых пробок, ходовых винтов. Применяют резьбовые микрометры, измерения с помощью проволочек, с использованием измерительных микроскопов. При комплексном методе контроля применяют калибры, которые используются как в серийных, так и в единичных производствах (из-за трудностей дифференцированного контроля). Проходной калибр (пробка, кольцо) имеет полный номинальный профиль и контролирует (приведенный диаметр) предельный контур, обеспечивающий свинчивание. Непроходной калибр имеет неполный контур для того, чтобы на результатах контроля не сказывались погрешности шага и угла профиля (см. рисунок 29в). Непроходной калибр контролирует предельный контур, обеспечивающий прочность резьбы, т.е. контролирует собственно средний диаметр (наружный диаметр болта контролируют универсальными средствами, внутренний – проходным калибром). 3.14 Взаимозаменяемости деталей шпоночных и шлицевых соединений 3.14.1 Шпоночные соединения Шпонки предназначены для передачи крутящих моментов (например, от вала к шестерне или муфте) в неподвижных (шестерня “сидит” неподвижно на валу) или в подвижных (шестерня может перемещаться по валу) соединениях. Достоинством шпоночных соединений является относительно простая 133 технология изготовления их элементов; недостатки соединений – ухудшение центрирования деталей, ослабление сечения валов, концентрация напряжений. В промышленности применяют призматические, сегментные шпонки (ненапряженные соединения), а также клиновые (врезные, на “лыске”, фрикционные) и тангенциальные шпонки (напряженные соединения). Пазы на валах получают фрезерованием шпоночными или дисковыми трехсторонними фрезами, пазы во втулках, шестернях и т.п. – долблением или протягиванием. Для надежной передачи крутящих моментов поверхности шпонок должны плотно, без перекосов, прилегать к поверхностям пазов. Обеспечить хорошее центрирование деталей и плотное прилегание рабочих поверхностей шпонок при соблюдении требований полной взаимозаменяемости практически очень трудно, так как характер соединений шпонок и пазов искажается за счет неизбежных погрешностей формы и расположения элементов (смещений и перекосов пазов и т.д.). Поэтому там, где это возможно, предусматривают зазоры (или используют “плотные” посадки), достаточные для компенсации подобных погрешностей. Наиболее распространены призматические (и сегментные) шпонки, посадки которых осуществляются по ширине в (рисунок 31а). Шпонку в пазу вала обычно устанавливают плотно для обеспечения неподвижности (направляющие шпонки дополнительно крепят винтами к валу) и надежного контакта с пазами. В пазу втулки (шестерни и т.д.) шпонку устанавливают менее плотно, используя легкие переходные посадки с зазором. Зазор необходим для компенсации погрешностей формы и расположения (отклонения от параллельности и симметричности) пазов на валу и во втулке. Различные посадки получают, изменяя предельные размеры пазов, а предельные размеры шпонки оставляют неизменными, т.е. используют систему вала. Стандарт устанавливает (см. рисунок 31б) для ширины шпонки поле допуска h9, для ширины паза во втулке - D10, JS9, P9 (в сегментных шпонках - JS9, P9), для ширины паза на валу - Н9, N9, P9 (в сегментных шпонках - N9, P9). В посадках возможны любые сочетания полей допусков пазов вала и втулки со шпонкой. Например, (см. рисунок 31в) нормальное соединение: шпонка на валу установлена по переходной (типа “напряженной”) посадке, шпонка в втулке – по легкой переходной (практически – с зазором) посадке, свободное соединение (часто используют для направляющих шпонок): шпонка на валу – по “скользящей” посадке, шпонка во втулке – по посадке с гарантированным зазором, плотное соединение: шпонка на валу и в втулке устанавливается “плотно” (посадка типа “тугой”). Сборка затруднена, иногда требуется подгонка (подбор деталей). 134 Рисунок 31 – Посадки призматических шпонок Несопрягаемые элементы шпоночных соединений выполняют со следующими отклонениями: высота шпонки h11 (h9 для высот 2-6 мм), длина шпонки h14, длина паза на валу – H15, размеры t1 и t2 (см. рисунок 1а) +0,1+0,3 (для размера d-t, -0,10,3). 135 Детали шпоночных соединений измеряют универсальными средствами, контролируют калибрами и специальными приспособлениями (в серийных производствах). Ширину паза в контролируют пластинчатым калибром, имеющим проходную и непроходную стороны, размеры t1 и t2 – предельными калибрами: накладным для вала и в виде пробки со ступенчатой шпонкой для втулки. Для проверки симметричности и перекоса паза втулки используют проходной комплексный калибр – пробку со шпонкой, для проверки симметричности паза на валу – накладные призмы со стержнем. 3.14.2 Шлицевые соединения Шлицевые соединения, по сравнению со шпоночными, могут передавать большие крутящие моменты, обеспечивают лучшее центрирование в неподвижных соединениях и более точное направление деталей в подвижных. В зависимости от формы боковых сторон зубьев (профиля шлицев) соединения могут быть прямобочные, эвольвентные и треугольные (рисунок 32). Шлицевые соединения имеют сложную форму и представляют собой “многошпоночные” соединения, в которых шпонки (шлицы) выполнены вместе с валом. Обеспечить плотное прилегание поверхностей по всему профилю невозможно из-за неизбежных отклонений размеров, формы, расположения элементов. Поэтому плотное прилегание (центрирование) осуществляется посадками по какому-либо одному параметру (например, по окружности выступов или впадин зубьев) и, для надежной передачи крутящих моментов, по боковым сторонам зубьев. По другим параметрам предусмотрены зазоры, достаточные для компенсации указанных отклонений. На допуски элементов прямобочных и эвольвентных шлицевых соединений разработаны государственные стандарты, для соединений с треугольным профилем зубьев ведомственные. К основным параметрам соединений с прямобочными шлицами относят (см. рисунок 32): наружный диаметр D вала и втулки, внутренний диаметр d, число зубьев (шлицев) z и ширина зубьев (шлица) вала или впадины втулки в. Центрирование осуществляется одним из трех способов: по наружному диаметру D, по внутреннему диаметру d и по размеру в – боковым сторонам зубьев. Центрирование по D наиболее часто применяют для неподвижных соединений и мало изнашиваемых подвижных. Валы обрабатывают фрезерованием и (после закалки) шлифуют на круглошлифовальном станке по размеру D. Втулки окончательно обрабатывают чистовой протяжкой. 136 Рисунок 32 – Шлицевые соединения Центрирование по d обеспечивает наилучшее центрирование и точное направление перемещения деталей в соединениях. Валы фрезеруют и (после закалки) окончательно шлифуют по размеру d на специальных шлицешлифовальных станках (что приводит к удорожанию таких соединений). Втулки (которые могут быть закалены) окончательно шлифуют на внутришлифовальных станках по размеру d. Центрирование по размеру в обеспечивает наихудшее центрирование и 137 применяется при реверсивных движениях. При центрировании по D и d одновременно применяют посадки (центрируют) по ширине в. Посадки по центрирующим элементам осуществляют в системе отверстия. Для размера в ширины впадины (отверстие) у втулки используют поля допусков с основными отклонениями D, F, H, с которыми могут применяться различные поля допусков ширины зуба (валы). Поля допусков для посадок принимают из числа установленных для гладких соединений. В стандарте на размеры и допуски прямобочных шлицевых соединений даны допуски, рекомендуемые и предпочтительные посадки центрирующих размеров и допуски нецентрирующих поверхностей. При центрировании по D и d для размера D рекомендовано шесть посадок, из них предпочтительные посадки: H7/f7 и H7/js6, для размера в – 12 посадок, предпочтительно: F8/f7, F8/f8, F8/js7. При центрировании по d и в для размера d рекомендовано семь посадок, из них предпочтительные: H7/f7; H7/g6, для размера в – 20 посадок, предпочтительные D9/h9, D9/k7, F10/js7. При центрировании только по в установлено 19 посадок. Для нецентрирующего размера d у втулки поле допуска Н11, у вала – уменьшенный диаметр d1; для нецентрирующего диаметра D у втулки применяют поле допуска Н12, у вала – а11. Размеры шлицевого соединения указывают в следующем порядке: буква, обозначающая способ центрирования (d, D, в, см. рисунок 32) далее zxdxDхв. H7 H12 F10 Например, d-6x18 f7 x 22 d11 x5 js7 . Здесь d означает способ центрирования по d, z=6 шлицев, d= 18 мм с посадкой H7/f7, D = 22 мм, нецентрирующий диаметр, в = 5 с посадкой F10/js7. В соединениях с эвольвентными шлицами боковые поверхности зубьев на валах и во втулках имеют эвольвентный профиль, аналогичный профилю зубьев зубчатых колес. Это повышает прочность деталей, упрощает изготовление; можно использовать режущие инструменты, применяемые для нарезания шестерен. Центрирование может осуществляться по боковым поверхностям зубьев, по наружному диаметру (окружности впадин втулки, окружности выступов вала), по внутреннему диаметру (окружности вершин шлицев втулки, окружности впадин вала). При центрировании по диаметрам одновременно назначают посадки по боковым поверхностям зубьев. Поля допусков центрирующих диаметров выбирают по ЕСДП гладких соединений, а для ширины впадин втулки и толщины шлица вала используют специальные поля допусков 7 – 11 степеней точности, с основными отклонениями. H, a, c, d, f, g, h, k, n, p, r. Эти поля допусков обозначаются особым образом: 7H, 9H, 11H, 7f, 7h, 7n, 8k, 8p, 8f, 9d, 9g, 9h, 9r, 10d, 11c, 11a. Для этих полей допусков установлено три отклонения, которые определяют значение допуска собственно размера (ширины впадины, толщины шлица) и возможные отклонения формы и 138 расположения шлицев. На чертежах эвольвентные шлицевые соединения обозначают номинальным диаметром D, модулем m (Dxm), далее указывают посадки и номер стандарта. Например, 40х2х9Н/9g ГОСТ 6033-80 – наружный диаметр 40 мм, модуль 2 мм, посадка по боковым поверхностям шлицев 9Н/9g; 40хН8/f7x2x9H/9g ГОСТ 6033-80 – то же при центрировании по наружному диаметру посадкой Н8/f7 (посадка по боковым поверхностям зубьев 9Н/9g); 40х2хН7/h6 ГОСТ 6033-80 – то же при центрировании по внутреннему диаметру посадок Н7/h6. Шлицевые детали из-за сложности формы обычно контролируют проходными комплексными калибрами, являющимися как бы аналогами сопрягаемых деталей. Для контроля шлицевых валов применяют шлицевые калибры – кольца, для контроля шлицевых втулок – шлицевые калибры – пробки. Шлицевые детали считаются годными, если комплексные калибры “проходят”, а диаметры и толщины зубьев вала не меньше установленных наименьших значений, диаметры и ширины впадин втулки не больше наибольших предельных значений. Если это необходимо, то универсальными измерительными средствами проверяют пригодность всех размеров: центрирующих и нецентрирующих диаметров, ширину впадин, толщину зубьев. 3.15 Взаимозаменяемость зубчатых колес и передач 3.15.1 Кинематическая точность, плавность работы и контакт зубьев в передаче Точность изготовления зубчатых колес и монтажа передач определяет следующие эксплуатационные показатели: 1) Кинематическую точность передачи, т.е. согласованность углов поворота ведущей и ведомой шестерен. Количественно кинематическая точность I характеризуется наибольшей кинематической погрешностью Fir , для которой в I ГОСТ установлен допуск Fi . 2) Плавность работы, т.е. отсутствие циклических погрешностей, многократно повторяющихся за оборот колеса. Погрешности углов поворота могут изменяться с различной скоростью, резкое изменение отклонений углов поворота означает неплавность работы. Плавность работы характеризуется I I местной кинематической погрешностью f i r ( f i ) и циклической погрешностью fzkr (fzk). 3) Полноту контакта зубьев колес. Теоретически зубья имеют контакт по всей боковой поверхности, но из-за погрешностей изготовления и монтажа зубья контактируют только по отдельным участкам (точкам) боковых поверхностей. 139 Полнота контакта характеризуется суммарным или мгновенным пятнами контакта в процентах по высоте и длине зуба. 4) Боковой зазор между зубьями с целью устранения заклинивания зубьев во впадинах. По ГОСТу (ГОСТ 1643-81) для зубчатых колес установлено 12 степеней точности (с 1 по 12). Для каждой степени точности (кроме 1 и 2) установлены допуски и отклонения параметров, которые определяют кинематическую точность, плавность работы, контакт зубьев и максимальный боковой зазор. Высшие степени точности 3 – 5 предназначены для измерительных зубчатых колес, используемых при комплексном контроле шестерен. В редукторах, приводах применяют 6–10 степени точности (для быстроходных передач 3 – 5), в грубых передачах – 11 и 12 степени точности. Степени точности по различным показателям можно комбинировать (отличие не более 1-2 ст. точности): 8-7-7-В – 8 степень точности по нормам кинематической точности, 7 – по нормам плавности, 7 – по нормам контакта зубьев, В – вид сопряжения зубьев. Кинематическая точность передачи зависит от кинематической погрешности зубчатых колес. Кинематическая погрешность колеса Fкпк – разность между действительным и номинальным (расчетным) углами поворота зубчатого колеса, ведомого измерительным зубчатым колесом при отсутствии перекоса и непараллельности осей (рисунок 33). Она выражается длиной дуги делительной окружности: Fкпк = (2g - 2H) r. (3.148) I Наибольшая кинематическая погрешность Fir - наибольшая алгебраическая разность значений кинематической погрешности колеса в пределах полного оборота. I Эта погрешность ограничена допуском Fi . Отклонения угла поворота колеса вызываются в основном следующими факторами: накопленной погрешностью окружного шага Рt (допуск Fp), радиальным биением зубчатого венца Fr, отклонением профиля от теоретической эвольвенты ff. Накопленная погрешность окружного шага Рt - наибольшая погрешность во взаимном расположении двух одноименных профилей зубьев по окружности, проходящей посредине зуба. Допуском Fp ограничивается разность наибольших и наименьших значений накопленной погрешности шага Рtнб и Рtнм: Fpr = Ptнб - Ptнм . Рисунок 33 – Кинематическая точность зубчатого колеса 140 Радиальное биение зубчатого венца изменяет толщины зубьев, входящих во впадины парного колеса, так как с приближением зубчатого венца к оси как бы увеличивается начальный радиус, а с удалением – уменьшается. Это вызывает аналогичные изменения шага. Радиальное биение ограничено допуском Fr (колебание расстояний до постоянной хорды зуба). Погрешность профиля ffr – расстояние по нормали между двумя теоретическими профилями зуба, ограничивающими действительный профиль зуба на рабочем уровне. Погрешность профиля преобразуется в погрешность угла поворота, но только во время зацепления одного зуба. Погрешность профиля ограничивается допуском ff; отклонений не дано, т.к. теоретическое положение точки профиля, от которой можно было бы считать отклонения, неизвестно. Погрешность профиля в сильной степени влияет на плавность работы. Суммирование указанных факторов определяет кинематическую погрешность I колеса Fir . По ГОСТу на допуски зубчатых передач допуск на кинематическую I погрешность зубчатого колеса Fi , равен сумме допусков на накопленную погрешность шага Fр и погрешность профиля ff: F = Fp + ff. (3.149) В производственной практике часто для оценки кинематической точности используют косвенные показатели или их комплексы: 1) Колебание длины общей нормали FVW (W – общая нормаль), т.к. они вызываются прежде всего колебаниями шагов. `` 2) Колебание измерительного межосевого расстояния Fi ; оно вызывается теми же тремя факторами. I 3) Погрешность обката Fc. Всего используются 9 комплексов и показателей ( Fi , `` `` `` Fp + Fpk, Fp, Fc+Fr, FVW+ Fi , FVW Fr , Fc + Fi , Fi , Fr). Для производственных целей важно знать, какая из основных причин превалирует в образовании кинематической погрешности – радиальное биение или погрешность шага. Радиальное биение получается при обработке из-за смещения посадочного отверстия или заготовки, а погрешность шага – при зубонарезании за счет погрешностей делительной цепи станка. Малое значение последней погрешности достигается измерением и нормированием погрешности обката Fcr (допуск Fc), которая является кинематической погрешностью за вычетом радиального биения. Для повышения кинематической точности колес необходимо обрабатывать на станках с повышенной кинематической точностью делительной цепи и принимать меры для уменьшения радиального биения (точно центрировать заготовку). Кинематическая точность особенно важна для отсчетных зубчатых передач: в 2 141 приборах, часовых механизмах, делительных цепях, для которых характерны малые скорости и нагрузки, небольшие модули, но важно точное соотношение оборотов ведомых и ведущих звеньев. Зубчатые передачи, характеризуемые одной и той же кинематической I точностью ( Fi ), в то же время могут иметь различную плавность работы. Передача, в которой “скачки” значений кинематической погрешности колеса меньше, будет работать с большей плавностью. Циклические погрешности, характеризующие плавность работы, определяют волнообразный характер кинематической погрешности, которую можно представить в виде спектра гармонических составляющих. Поэтому прямыми показателями плавности работы является местная I кинематическая погрешность f ir и циклическая погрешность колеса fzkr (рисунок 34). fir – наибольшая разность между местными максимальными и минимальными значениями кинематической погрешности зубчатого колеса в пределах одного оборота. fzkr – удвоенная амплитуда гармонической составляющей кинематической погрешности колеса (fzkor – передачи). Допуски fzko и fzk определяются зависимостью: fzkо = fzk = (к-0,6 + 0,13)Fr, (3.150) где к – число циклов за оборот колеса, Fr – радиальное биение зубчатого венца. С увеличением числа циклов допуски уменьшаются. Для ограничения циклической погрешности с частотой, равной частоте входа зубцов, установлен допуск на циклическую погрешность зубцовой частоты fzzr для колеса (fzzоr – для передачи). Резкие изменения кинематической погрешности в основном вызываются двумя факторами: отклонениями шага (углового) fptr и погрешностями профиля ffr. fptr (допуск fpt) – кинематическая погрешность зубчатого колеса при его повороте на один номинальный угловой шаг: fptr = z 2, 2π d (3.151) где z – число зубьев. Погрешность углового шага связана с отклонением шага зацепления fpbr – разностью действительным и номинальным шагами зацепления. Шаг зацепления равен расстоянию между параллельными плоскостями, касательными к двум одноименным боковым поверхностям зубьев (в плоскости, касательной к основному цилиндру). Погрешность шага зацепления приводит к тому, что пересопряжение зубьев происходит неплавно и сопровождается повышенным шумом. Допускаемые отклонения шага зацепления fpb и углового шага fpt взаимосвязаны: 142 fpb = cosfpt, где - угол профиля исходного контура. В стандарте принято: f iI = fpt + ff. (1.153) 143 Рисунок 34 – Плавность работы зубчатого колеса В производственной практике для оценки плавности работы используют также косвенные показатели и их комплексы: `` 1) Колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе f i . 2) Отклонения шага зацепления fpb. Всего применяется 8 показателей и I `` комплексов: f i ; fzz; fpb + ff; fpb+ fpt; f i , fzk, fpb, fpt. Неплавность работы приводит к увеличению относительных ускорений, к соударениям зубьев, силовое взаимодействие которых увеличивается с ростом скорости вращения колес, к увеличенному шуму, уменьшению площади контакта колес и снижению долговечности передач. Для улучшения плавности работы повышают точность инструмента и червяка, сопряженного с делительным колесом станка (уменьшение fptr), а также применяют шевингование и хонингование зубьев (уменьшение ff). Для улучшения плавности высокоскоростных передач у вершины зуба делают срез – фланк, который обеспечивает более плавный вход и выход зубьев из зацепления, что способствует снижению относительных ускорений и образованию масляного клина между пересопрягаемыми зубьями. Показатели плавности особенно важны для скоростных передач, величина скорости которой определяет степень точности колеса. Для обеспечения полноты контакта зубьев в передаче установлены наименьшие размеры суммарного и мгновенного пятен контакта. Чем больше пятно контакта, тем меньше контактные напряжения и больше долговечность передачи. Суммарное пятно контакта – это часть (в %) активной боковой поверхности зуба колеса, на которой располагаются следы его прилегания с зубьями парного колеса, после вращения под нагрузкой. Мгновенное пятно контакта определяются в процентах по длине зуба и высоте зуба (рисунок 35). По длине зуба пятно контакта равно: accos β %, в (3.154) где а – суммарная длина пятен прилегания; с – расстояние между пятнами (при с m); - угол направления зуба. Пятно контакта по высоте зуба равно: hm %. hp (3.155) Показателями, характеризующими полноту контакта для колес, являются: 1) погрешность направления зуба F r (допуск F); 144 2) отклонения от параллельности fxr осей и перекос осей fyr (fx; fy); и, для косозубых колес, 3) отклонения осевого шага Fpxnr (Fpxn); 4) погрешность расположения и формы контактной линии Fkr (Fk). Рисунок 35 – Контакт зубьев в зубчатой передаче Погрешность направления зуба Fr – расстояние между линиями номинального направления (на цилиндрической поверхности, проходящей посредине зуба), ограничивающими действительное направление зуба по длине. 145 Контакт зубьев особенно важен для тяжелогруженных передач (цементные печи, крупные редукторы, приводы). Из всех параметров независимыми являются параметры: Fr, Fp, fpt, ff, F (fa, jn). Остальные показатели получаются из указанных с помощью различных соотношений. Некоторые показатели влияют на несколько эксплуатационных показателей (например, ffr - на кинематическую точность и плавность работы), поэтому степени точности по трем нормам не могут отличаться более, чем на 1-2 единицы. Выбор степеней точности по трем нормам производится в зависимости от эксплуатационного назначения зубчатой пары с учетом технологических возможностей. Выбор степени точности по нормам кинематической точности производится в зависимости от допустимого угла рассогласования ведущих и ведомых колес делительных цепей, быстроходных редукторов, часовых механизмов и др. Степень точности по нормам плавности принимается из расчета динамики передачи, вибраций, шумовых явлений, а степень точности по нормам контакта зубьев – расчета на контактную прочность и долговечность. Применяется для выбора также и опытный метод, при котором степень точности вновь проектируемой передачи принимают аналогичной степени работающей передачи, для которой имеется положительный опыт эксплуатации. 3, 4, 5 степени точности применяют для измерительных колес, зуборезного инструмента, быстроходных редукторов, в передачах цепей делительных машин и прецизионных механизмов; 6, 7 степени точности – в станкостроении, редукторостроении, автомобильной промышленности. 8, 9 – для зубчатых передач грузовых автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, подъемнотранспортных машин, машин химических производств и 10, 11 – для механизмов, к которым не предъявляют особых требований по точности. Комбинирование норм точности позволяет назначить точные степени для тех норм, которые важны с эксплуатационной точки зрения для работы передачи, и более грубые степени – для остальных норм. Например, для средних и высокоскоростных передач (автомобильных, турбинных) степень точности по нормам плавности берут выше, чем по нормам кинематической точности; для делительных передач степени точности по нормам кинематической точности и плавности приблизительно одинаковы (первая несколько выше); для тяжелогруженных передач степень точности по нормам контакта берут наивысшую. Таблица 10 - Степени точности по нормам плавности Степень точности 3 4 5, 6 7 Скорость, м/с Свыше 35 20 8 До 10 Шероховатость зубьев Rа= 0,63 мкм Rа= 0,63 мкм Rа = 1,25 мкм Rа= 3,2 мкм Метод получения Зубчатых колес На прецизионных станках с отделкой Обкатка на станках нормальной 146 8 До 6 Rа= 3,2 мкм 9, 10 До 2 Rа= 6,3 мкм точности Обкатка или копирование точным инструментом Любой метод Показатели Fr, fx, fy используются при разработке чертежей зубчатых колес, валов, корпусов редукторов, крышек и т.д. Обычно степени точности по нормам плавности принимают в зависимости от окружной скорости (для прямозубых колес), что показано в таблице 8. 3.15.2 Боковой зазор. Виды сопряжений зубьев в передаче Боковой зазор jn между неработающими профилями зубьев сопряженных колес определяют в сечении, перпендикулярном направлению зубьев, в плоскости, касательной к основным цилиндрам (рисунок 36). Этот зазор необходим для устранения заклинивания при нагреве передачи (температурная компенсация), размещения слоя смазки, а также для компенсации погрешностей изготовления и сборки. Боковой зазор приводит к появлению при реверсировании передач мертвого хода, величину которого ограничивают для уменьшения ударов по нерабочим профилям зубьев. Теоретическая зубчатая передача является двухпрофильной и беззазорной (jn = 0). Реальная передача должна иметь боковой зазор. Минимальная величина бокового зазора jn min определяет вид сопряжения зубьев. Стандартами предусматривается шесть видов сопряжения: А (с увеличенным гарантированным зазором jn min для 3-12 степеней точности), В (с нормальным гарантированным зазором, 3-11), С, D (с уменьшенным jn min, 3-9, 3-8), Е (с малым jn min, 3-7), Н (нулевым jn min, 3-7). Установлено восемь видов допусков Тjn бокового зазора (при этом Тjn = jn min - jn max): h, d, c, b, a, z, y, x. Допуски расположены в порядке возрастания. Видам сопряжения Н и Е соответствует вид допуска h, видам сопряжения D, С, В, А – соответственно d, c, b , a. Допускается по технологическим или иным соображениям менять соответствие видов сопряжения и допуски бокового зазора, используя также виды допуска z, y, x (см. рисунок 36). Установлено шесть классов отклонений межосевых расстояний, обозначаемых в порядке убывания точности римскими цифрами от 1 до Y1. Гарантированный боковой зазор обеспечивается при соблюдении установленных для данного вида сопряжения классов отклонений межосевого расстояния (Н, Е –II класс, D, C, B, A – III, IY, Y, YI классы). Минимальный боковой зазор jn min должен учитывать температурную компенсацию jnt и слой смазки см: jn min = jnt + см . (3.156) 147 Рисунок 36 – Боковой зазор в зубчатой передаче Необходимую температурную компенсацию можно рассчитать, зная температуру колеса tкол и корпуса передачи tпер и учитывая, что боковой зазор jn измеряют под углом профиля : t = aw [кол (tкол – 200) - кор (tкор – 200)], 148 где w – межосевое расстояние, I – коэффициенты линейного расширения (кол – колеса, кор – корпуса). Учитывая, что толщина смазки должна составлять от 0,01 до 0,03 модуля, получим, что минимальный (гарантированный) боковой зазор jn min должен быть равен jn min = (0,01 0,03) m + aw [((кол(tкол –200) - пер (tпер – 200) 2sin (3.157) Сопряжение вида В гарантирует боковой зазор, при котором исключается заклинивание зубьев передачи от нагрева при разности температур колес и корпуса 250С (см. рисунок 36). Как следует из сказанного, вид сопряжения зубьев назначается расчетным или опытным путем независимо от степеней точности. Допустимые погрешности изготовления или монтажа зубчатой передачи, зависящие от степеней точности, сказываются на максимальной величине бокового зазора. Существуют три метода обеспечения бокового зазора: регулирование расстояния между осями передачи, применение при изготовлении специального инструмента с утолщенными зубьями и метод радиального смещения исходного контура рейки зубонарезного инструмента. Первый метод практически не применяют, т.к. перемещение рабочих валов для получения бокового зазора приводит к уменьшению активной части профиля и коэффициента перекрытия; этот метод невозможен при нескольких парах сопряженных зубьев, сидящих на двух параллельных валах, так как отрегулированный боковой зазор одной пары шестерен дает неприемлемые значения для остальных пар шестерен. Второй метод получения “тонких” зубьев шестерен за счет увеличения толщины режущих зубьев инструмента (фрез, реек и т.д.) ведет к увеличению номенклатуры и удорожанию инструмента. Третий метод получил преимущественное распространение, так как использует стандартный инструмент и позволяет обеспечивать любые боковые зазоры за счет дополнительного смещения зубонарезного инструмента в “тело” заготовки. Наименьший боковой зазор создается за счет уменьшения толщины зуба по постоянной хорде Ес методом радиального смещения исходного контура на величину ЕН. Дополнительное уменьшение толщины зуба по хорде на величину допуска Тс происходит за счет допуска на смещение исходного контура ТН, что вызывает соответствующее увеличение бокового зазора. Зависимости, характеризующие изменение бокового зазора от смещения исходного контура и утонения зуба показана на рисунке 36: jn min = 2 ЕН sin; (3.158) EC = 2EHtg. (3.159) Таким образом, боковой зазор определяется смещением исходного контура ЕН, 149 межосевым расстоянием а (для него установлены отклонения fa), толщиной зуба на делительной окружности или постоянной хордой зуба SC . При наличии радиального биения Fr толщины зубьев не остаются постоянными, но изменяются с приближением и удалением к ведущему колесу, поэтому ТН Fr: ТН = 1,1 Fr + 20. (3.160) Боковой зазор состоит из гарантированного бокового зазора jn min и бокового зазора jn 1 для компенсации погрешности изготовления и монтажа (1 и 2 – колесо и шестерни): jn min + jn1 = (ЕН1 + ЕН2)2 sin. (3.161) Принимая смещение колеса и шестерни приблизительно одинаковыми ЕН 1 ЕН 2 ЕН, получим ( = 200): 1 E j j 0,73 j j . H nmin n1 nmin n1 4 sin α (3.162) Боковой зазор jn1 учитывает отклонения межосевого расстояния fa, шага зацепления fpв двух колес, отклонения направления F двух колес, отклонения от параллельности fx и перекоса осей fу, jn1 равен при квадратичном суммировании: 2 2 j 2f sin α 2f 2F f sin α f cos α . n1 a pb β x y 2 2 2 (3.163) Наибольший боковой зазор является замыкающим звеном сборочной размерной цепи, составляющими звеньями которой будут отклонения межосевого расстояния и смещения исходных контуров: jn max = jn min + (ТН1 + ТН2 + 2fa) 2sin. (3.164) Учитывая производственные потребности, для характеристики бокового зазора применяют следующие показатели: - наименьшее смещение исходного контура ЕН (допуск ТН); - наименьшее отклонение толщины зуба ЕС (допуск ТС = 0,73 ТН); - наименьшее отклонение средней длины общей нормали Еwm (допуск Тwm); - наименьшее отклонение длины общей нормали Еw (допуск Тw); - предельные отклонения измерительного межосевого расстояния Еа``(+Ea``s и -Еа``I). Нормаль W – расстояние между разноименными боковыми поверхностями 150 группы (2, 3 и т.д.) зубьев. Измерительное межосевое расстояние – расстояние беззазорного сопряжения II зубьев контролируемого колеса и измерительного колеса; Ea``s= f i (колебание измерительного расстояния на одном зубе); Ea``I = -ТН. При разработке чертежей зубчатых колес, корпусов редукторов, приводов и т.д. применяются показатели w (Ew, Tw), Sc (Ec, Tc), fa (рисунок 36). При контроле зубчатых колес используют комплексы показателей, которые установлены для различных степеней точности. Комплексы контроля являются равноправными, но не равноценными. Первый из них (для каждой нормы, образованный одним комплексным показателем, дает наиболее полную оценку точности колеса). Каждый последующий характеризует значительную долю основной погрешности или отдельные ее части. Выбор того или иного комплекса контроля зависит от назначения и точности зубчатых колес и передач (принцип инверсии), их размеров, практики контроля, объема и условий производства и др. Для выбранного комплекса на чертеже зубчатого колеса с нестандартным исходным контуром указывают необходимые допуски и отклонения и колесо контролируют по всем параметрам. В чертежах зубчатых колес со стандартным исходным контуром (рисунок 37), показатели комплекса конструктор не указывает; эти показатели назначаются технологическими службами. Контроль зубчатых колес может быть приемочный, профилактический и технологический. Приемочный контроль – контролируют показатели комплекса. Профилактический – отладка технологических процессов и выявление причин брака. Для контроля кинематической точности используют приборы для измерения кинематической погрешности колес, измерительного межосевого расстояния, накопленной погрешности шагов, радиального биения, колебания длины общей нормали, погрешности обката. При контроле плавности работы применяют приборы для измерения местной кинематической и циклических погрешностей, шага зацепления, погрешности профиля, отклонений углового шага. При контроле полноты контакта применяют приборы для измерения суммарного пятна контакта, осевого шага, направления зуба, погрешности формы и расположения контактной линии. При контроле бокового зазора измеряют приборами смещение исходного контура, отклонение измерительного межосевого расстояния, отклонение средней длины общей нормали, толщину зуба (в том числе штангензубомерами). Рисунок 37 – Зубчатое колесо 151 4 Основы сертификации 4.1 Сущность и содержание сертификации Сертификация – действие, удостоверяющее посредством сертификата соответствия или знака соответствия, что изделие или услуга соответствует определенным стандартам или другим нормативным документам. Сертификат соответствия – документ, доказывающий, что обеспечивается необходимая уверенность в том, что должным образом идентифицированная продукция, процесс или услуга соответствует стандарту или иному нормативному документу. Порядок, условия оформления, выдачи и регистрации сертификата устанавливаются в каждой системе сертификации. Знак соответствия подтверждает соответствие маркируемой продукции установленным требованиям. Регистрируется Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (ФАТР и М), который устанавливает условия применения знака. В России, Европейских странах, Америке созданы системы сертификации (сертификация может быть обязательной или добровольной). Действуют международные организации по сертификации – Европейская организация по испытаниям (аналитическая химия, сертификация систем обеспечения качества, информационные технологии и др.) и международные организации по аккредитации лабораторий, международный форум по аккредитации, Европейская конференция по аккредитации испытательных лабораторий и органов сертификации. Законодательной базой сертификации в России являются: - законы РФ “О техническим регулировании”, “Об обеспечении единства измерений”, “О защите прав потребителей”; - подзаконные акты: указы Президента РФ и правительства; постановление ФАТР и М, нормативные акты министерств и ведомств; - организационно-методические документы по правилам и порядку сертификации; - нормативные документы (ГОСТ Р, СТО, ГОСТ и др.), на соответствие требований которых проводится сертификация; - нормативные документы на методы (способы) оценки соответствия при сертификации. Законами РФ по сертификации определены цели сертификации, правовое регулирование сертификации, следование международным правилам по сертификации, координирующая роль ФАТР и М и др. ФАТР и М и другие государственные органы управления: - создают системы и правила сертификации (с.); - определяют центральные органы систем с.; - аккредитируют органы по с. и испытательные лаборатории и дают 152 разрешение на право проведения определенных видов работ; - ведут Госреестр систем с.; - устанавливают правила признания зарубежных сертификатов и знаков соответствия; - устанавливают правила аккредитации и выдачи лицензий на проведени работ по обязательной с.; - рассматривают апелляции; - выдают сертификаты и лицензии на применение знака соответствия. 4.2 Обязательная и добровольная сертификация Обязательная сертификация распространяется на продукцию и услуги, связанные с обеспечением безопасности окружающей среды, жизни, здоровья и имущества людей. Обязательность сертификации определяет Госстандарт РФ (ранее, сейчас ФАТР и М) на основе закона РФ “О защите прав потребителей”. Обязательной сертификации подлежат изделия машиностроительного комплекса, приборостроения, медицинской техники, сельскохозяйственного производства, пищевой и легкой промышленности, деревообработки, средства защиты, тара, пиротехника, ветеринарные и биологические препараты, а также услуги (бытовые, связь, транспорт, общественное питание и т.д.). Добровольная сертификация используется, если стандарты или нормы не касаются требований безопасности и носят добровольный характер для производителя. Необходимость в добровольной сертификации возникает, когда несоответствие стандартам и другим нормам затрагивает финансовые интересы финансовых групп, отраслей, сферы услуг. К объектам добровольной сертификации относят: продукцию производственно-технического и социально-бытового назначения; услуги (материальные и нематериальные); системы управления качеством при проектировании, разработке, производстве, монтаже и обслуживании, при испытаниях и контроле, при оценке земли и недвижимости; персонал (квалификация, навыки и др.). Особенно значимо представляется сертификация систем качества в производствах на соответствие требованиям международных стандартов серии ИСО 9000. Приняты ГОСТ Р ИСО 9001-2001 (“Система качества. Модель обеспечения качества при проектировании, разработке, производстве, монтаже и обслуживании”), ГОСТ Р ИСО 9002-2001 (“Система качества. Модель обеспечения качества при производстве, монтаже и обслуживании”), ГОСТ Р ИСО 9003-2001 (“Система качества. Модель обеспечения качества при контроле и испытаниях готовой продукции”). В Государственном регистре РФ зарегистрирована система сертификации систем качества и производств, называемая “регистр систем качества”. Приняты ГОСТ Р 40.001-2000, ГОСТ Р 40.002-2000, в которых определяются правила и порядок проведения сертификации систем качества и 153 производств, взаимодействие органов по сертификации с Техническим центром регистра систем качества. 4.3 Система сертификации, правила и порядок проведения сертификации Система сертификации – совокупность участников сертификации, осуществляющих ее по правилам, установленным в этой системе. К участникам сертификации относят: - Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (ФАТР и М); - центральный орган по сертификации; - органы по сертификации; - испытательные лаборатории; - советы по сертификации; - научно-методические центры по сертификации; - комиссии по апелляциям; - заявители сертификации. ФАТР и М является национальным головным органом, который руководит процессами сертификации в стране (ранее – Госстандарт РФ). Центральный орган по сертификации в соответствии с законом РФ “О сертификации продукции и услуг” устанавливает процедуры сертификации по правилам сертификации, организует разработку систем сертификации, представляет на госрегистр системы сертификации и др. Органы по сертификации – организации, проводящие сертификацию соответствия. Такая организация (учреждение) должна получить аккредитацию по правилам ФАТР и М и соответствовать международным нормам. Испытательные лаборатории предназначены для проведения испытаний изделий для целей сертификации. Результаты испытаний оформляются в виде протокола испытаний. Соответствие испытательных лабораторий необходимым требованиям проверяется при аккредитации. Советы по сертификации организуются по каждому направлению техники. Функции Совета утверждает центральный орган по сертификации. Научно-методический центр организуется на базе органа по сертификации. Функции – научная и методическая помощь при сертификации. Комиссия по апелляциям формируется центральным органом по сертификации для рассмотрения жалоб и спорных вопросов. Процесс сертификации происходит в указанной последовательности: заявка на сертификацию, оценка соответствия объекта сертификации установленным требованиям, анализ результатов оценки соответствия, принятие решения по сертификации и далее инспекционный контроль за объектом сертификации. При сертификации продукции заявитель предоставляет в орган по сертификации документы, указанные в решении по заявке, и протокол испытаний в 154 лаборатории. При сертификации систем качества и услуг анализ результатов оценки соответствия проводится на основании актов о проверке. Решение о выдаче сертификата соответствия принимает руководство органа по сертификации и главный эксперт комиссии. Аккредитация есть официальное признание того, что испытательная лаборатория (орган по сертификации) правомочны осуществлять конкретные испытания (сертификацию) или типы испытаний. Аккредитацию проводят в четыре этапа: подача заявки в орган по аккредитации (образует ФАТР и М) и заключение договора, проведение экспертизы (эксперт, экспертная комиссия), решение по аккредитации (на 5 лет), инспекционный контроль. 4.4 Схемы сертификации Схема сертификации – это состав и последовательность действий третьей (кроме изготовителя и потребителя) стороны при оценке соответствия продукции, систем качества и персонала. В России применяют в настоящее время десять основных и пять дополнительных схем (см. раздел 9). Первая схема предусматривает испытание типового образца изделий в испытательной лаборатории, прошедшей аккредитацию. В второй схеме дополнительно производится последующий инспекционный контроль образцов, взятых у продавца. В последующих схемах увеличивается число различных контрольных мероприятий. Например, в пятой схеме кроме испытания в лаборатории выполняют сертификацию производства или систем качества, инспекционный контроль изделий, контроль стабильности производства и функционирования системы качества. При сертификации услуг используют пять схем, в которых предусматривается контроль мастерства исполнителя, условий работы, знаний документации и др., аттестация предприятия, сертификация системы качества и проведение инспекционного контроля. 4.5 Основы сертификации испытаний При сертификации продукции выполняют измерения различных величин (погрешность измерения Δизм), испытания (погрешность результата которых складывается из погрешности измерений, погрешности режима испытаний и дополнительных погрешностей) и контроль. По результатам контроля продукции делают заключение о годности. При контроле возможны ошибки I-го и II-го рода, т.е. вероятность забраковки годной продукции (риск изготовителя) и вероятность приемки негодной продукции (риск 155 потребителя). Контроль разделяют на сплошной и выборочный, активный (контроль в процессе изготовления) и пассивный (после изготовления), разрушающий и неразрушающий, контроль геометрических параметров (размеров, шероховатости и др.), физических и механических свойств. Контролируют также химические свойства, макро- и микрогеометрию поверхностных слоев. При необходимости используют специальные виды контроля: газопроницаемости, герметичности и др. Результаты измерений и испытаний характеризуются сходимостью и воспроизводимостью. Сходимость означает близость (в пределах возможной ошибки) результатов испытаний, полученных в одной лаборатории, воспроизводимость - полученных в разных лабораториях. По результатам испытаний выявляют причины брака (так называемая диаграмма Парето) и причинно-следственную связь при анализе качества сертификационных испытаний (так называемый “рыбий скелет”). 4.6 Обеспечение качества сертификации Характеристикой качества процесса сертификации является достоверность и беспристрастность. Для обеспечения качества процесса сертификации проводят внутренний и внешний аудит. Аудит качества – систематический и независимый анализ, позволяющий определить соответствие деятельности и результатов в области качества запланированным мероприятиям, а также анализ эффективного внедрения мероприятий и их пригодность поставленным целям. Внутренний аудит проводят работники самого учреждения (органа по сертификации или измерительной лаборатории). Внешний аудит – органы по аккредитации при инспекционном контроле или независимые эксперты. Общее качество сертификации складывается из качества предсертификационного периода, выполнения сертификации и послесертификационной деятельности. Каждый сертификат должен содержать: название объекта, нормативные документы, которым соответствует сертификат, название органа по сертификации, дату выдачи и срок действия, отметку об аккредитации органа по сертификации. Заявитель (предприятие) подает заявку и получает сертификат соответствия (протокол от испытательной лаборатории) от органа по сертификации, который в свою очередь, подает заявку и получает аттестат аккредитации от органа по аккредитации. Калибровка и поверка измерительных средств и испытательного оборудования проводится перед вводом его в эксплуатацию и, далее, по программе. 4.7 Проведение сертификации на предприятиях 156 Основными вопросами, которые решает предприятие в области сертификации являются: - подлежит ли производимая предприятием продукция обязательному подтверждению соответствия (Обязательной сертификации); - обязательные требования для этой продукции; - какие органы по сертификации могут провести оценку и выдать сертификат соответствия; - правила и процедуры подтверждения соответствия; - требуются ли для подтверждения соответствия продукции документы Министерства здравоохранения и социального развития РФ и др. федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих контроль и надзор за этой продукцией; - права и обязанности производителя (поставщика) сертифицированной продукции. Соответствие продукции требованиям безопасности должно быть подтверждено в случаях, предусмотренных законодательными актами РФ. Продукция, подлежащая обязательной сертификации, может выпускаться не только в соответствии с государственными стандартами, чаще в настоящее время используются другие документы, а именно: технические условия (ТУ), технологические регламенты, стандарты предприятий и т.д. Для определения обязательности сертификации необходимо следующее: - для отечественной продукции номенклатура продукции и услуг (работ), в отношении которых законодательными актами РФ предусмотрена их обязательная сертификация; - для импортируемой продукции, имеющей код товарной номенклатурой внешнеэкономической деятельности России (ТН ВЭД), список товаров, для которых требуется подтверждение проведения обязательной сертификации при выпуске на таможенную территорию РФ и номенклатура продукции и услуг (работ), в отношении которых законодательными актами РФ предусмотрена их обязательная сертификация. Для импортируемой продукции разработан порядок ввоза товаров на территорию РФ. ТНВЭД это общероссийский классификатор товаров, применение которого предусмотрено таможенным законодательством РФ, где представлена система классификации товаров, предназначенная для их кодирования и идентификации при таможенной обработке. В настоящее время классификатор построен на базе построен на базе Комбинированной номенклатуры Европейского экономического сообщества (КН ЕЭС) и ГС (гармонизированной системы описания и кодирования товаров). Система состоит из 10 знаков, которые распределяются следующим образом: 6 знаков — обозначают код товаров по ГС, 7 и 8 знаки образуют код товаров по КН ЕЭС, девятая и десятые цифры (0) — резервные, для возможной Система цифровых кодов в ТНВЭД позволяет представить всю необходимую информацию в удобной форме для сбора, передачи, в практической деятельности, в автоматизированной 157 системе. Товарная номенклатура предусматривает 5 уровней детализации товаров: 1-й уровень – уровень раздела (например, возьмем отрасль сельского хозяйства); 2-й – уровень группы (зерновые культуры); 3-й уровень товарные позиции (зерновые делятся на рожь, пшеницу); 4-й, 5-й уровни более низкие уровни детализации (пшеница твердых сортов). Основные критерии, которые используют для классификации: 1 материал из которого товар выполнен; 2 функции, которые он выполняет; 3 степень обработки (изготовления). Всего коды ТНВЭД состоят из 97 групп и 21 раздела. Товарная номенклатура утверждается Правительством РФ, а ГТК РФ участвует в ее разработке, вносит изменения и толкование. Основная единица измерения товаров по ТН ВЭД масса в кг. Сертификация продукции в РФ осуществляется органами по сертификации. Изготовитель (продавец) вправе обратиться для проведения обязательной сертификации в любой орган по сертификации, аккредитованный на право проведения работ по сертификации конкретной продукции. В общем случае, при сертификации продукции орган по сертификации осуществляет следующие операции: рассматривает заявку и комплект документов, представленных заявителем, и принимает (не позднее 15 дней) решение по заявке; проводит отбор, идентификацию образцов продукции, направляет образцы на испытания в испытательную лабораторию; проводит оценку производства (если это предусмотрено выбранной заявителем и согласованной с органом по сертификации схемой сертификации); проводит анализ полученных результатов и принимает решение о выдаче (отказе в выдаче) сертификата соответствия и знака соответствия; в случае, предусмотренном схемой сертификации, проводит инспекционный контроль над сертифицированной продукцией; представляет информацию о результатах сертификации в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Правила и процедуры сертификации установлены в общероссийских правилах по сертификации, документах Системы сертификации ГОСТ Р и разработанных в соответствии с ними правилах по сертификации однородной продукции. Наиболее часто для получения сертификата соответствия требуются следующие основные документы: санитарно-эпидемиологическое заключение (разрешение Санитарноэпидемологической службы (СЭС) на производство); акт обследования производства (в СЭС); сертификаты соответствие на сырье (упаковку); 158 гигиенические сертификаты на оборудование; нормативные документы: ТУ, технологические инструкции и др.; протоколы испытаний на продукции; карты метрологического контроля; пояснительная записка; (при необходимости) другие документы. а) б) в) Рисунок 38 - Знаки соответствия: а) знак соответствия ГОСТ Р, б) CE-mark, в) знак соответствия пожарной безопасности В Российской Федерации деятельность по сертификации осуществляется в системах сертификации – совокупности участников сертификации, действующих по установленным в системах правилам. Системы также подразделяются на системы обязательной и добровольной сертификации и должны иметь некоторые общие критерии, а именно: область распространения, определенная установленными в ее документах объектами сертификации и используемыми для подтверждения соответствия нормативными документами; реестр сертифицированных объектов и участников системы. Учитывая, что проведение обязательной сертификации необходимо для обеспечения допуска продукции на рынок, целесообразно остановиться подробнее на системах обязательной сертификации. В настоящее время в РФ действуют 18 систем обязательной сертификации, основные из них приведены далее. Система сертификации ГОСТ Р, в которой сертифицируются товары и услуги, обращающиеся на потребительском рынке РФ, создана Госстандартом России для проведения обязательной сертификации, предусмотренной такими законодательными актами, как закон РФ «О защите прав потребителей», ФЗ «Об основах охраны труда в Российской Федерации» от 17.07.99 № 181-ФЗ, Закон РФ «О ветеринарии» от 14.05.93 № 4979-1, ФЗ «Об оружии» от 13.12.96 № 150-ФЗ, Приказ МЧС РФ от 8 июля 2002 г. N 320 "Об утверждении Перечня продукции, подлежащей обязательной сертификации в области пожарной безопасности" и др. 159 Система сертификации ГОСТ Р имеет собственные формы сертификатов соответствия (см. Приложения) и знаков соответствия (см. рис. 9.1). В Системе сертификации ГОСТ Р обязательной сертификации подлежат: товары для личных (бытовых) нужд граждан; продукция производственно-технического назначения; строительная продукция; выполняемые работы и оказанные услуги. Нормативную базу обязательной сертификации продукции, услуг (работ) в Системе сертификации ГОСТ Р составляют государственные стандарты, санитарные нормы и правила, строительные нормы и правила. Необходимый уровень объективности и достоверности результатов сертификации в Системе ГОСТ Р достигается, в первую очередь, путем аккредитации участников системы. Сертификация продукции в РФ осуществляется органами по сертификации. Изготовитель (продавец) вправе обратиться для проведения обязательной сертификации в любой орган по сертификации, аккредитованный на право проведения работ по сертификации конкретной продукции. В общем случае, при сертификации продукции орган по сертификации осуществляет следующие операции: рассматривает заявку и комплект документов, представленных заявителем, и принимает (не позднее 15 дней) решение по заявке; проводит отбор, идентификацию образцов продукции, направляет образцы на испытания в испытательную лабораторию; проводит оценку производства (если это предусмотрено выбранной заявителем и согласованной с органом по сертификации схемой сертификации); проводит анализ полученных результатов и принимает решение о выдаче (отказе в выдаче) сертификата соответствия; в случае, предусмотренном схемой сертификации, проводит инспекционный контроль над сертифицированной продукцией; представляет иформацию о результатах сертификации в Госстандарт России. Правила и процедуры сертификации установлены в общероссийских правилах по сертификации, документах Системы сертификации ГОСТ Р и разработанных в соответствии с ними правилах по сертификации однородной продукции. Порядок проведения сертификации продукции в РФ содержится в «Порядке проведения сертификации продукции в Российской Федерации» с изм. 1. В этих документах описана последовательность проведения работ с участниками сертификации, схемы сертификации и рекомендации по их применению. Заявитель подает заявку по установленной форме в аккредитованный орган по сертификации, область аккредитации которого включает продукцию, указанную в заявке, и выбирает схему сертификации. Существует 16 схем сертификации: 1, 1а, 2, 2а, 3, 3а, 4, 4а, 5, 6, 7, 8, 9, 9а, 10, 10а, см. табл. 7. Схемы сертификации 1-6 и 9а-10а применяются при сертификации 160 продукции, серийно выпускаемой изготовителем в течение срока действия сертификата, схемы сертификации 7, 8, 9 при сертификации уже выпущенной партии или единичного изделия. Таблица 11 Схемы сертификации Номер схемы Испытания в аккредитованных испытательных лабораториях и другие способы доказательства соответствия Проверка производства (системы качества) Инспекционный контроль сертифицированной продукции (системы качества, производства) 1 Испытания типа – – 1а Испытания типа Анализ состояния производства – 2 Испытания типа – Испытания образцов, взятых у продавца 2а Испытания типа 3 Испытания типа 3а 4 4а 5 Испытания образцов, Анализ состояния взятых у продавца. Анализ производства состояния производства – Испытания образцов, взятых у изготовителя Испытания типа Испытания образцов, Анализ состояния взятых у изготовителя. производства Анализ состояния производства Испытания типа Испытания образцов, взятых у продавца. Испытания образцов, взятых у изготовителя – Испытания типа Испытания образцов, Анализ состояния взятых у продавца и производства изготовителя. Анализ состояния производства Испытания типа Контроль системы качества Сертификация (производства). Испытания производства или образцов, взятых у продавца системы качества и/или у изготовителя 161 Продолжение таблицы 11 Схемы сертификации Рассмотрение заявкиКонтроль декларации с сертифицированной прилагаемыми системы качества документами Сертификация системы качества – 7 Испытания партии – – 8 Испытания каждого образца – – 9 Рассмотрение заявкидекларации с прилагаемыми документами – – 9а Рассмотрение заявкидекларации с прилагаемыми документами Анализ состояния производства – 10 Рассмотрение заявкидекларации с прилагаемыми документами – Испытания образцов, взятых у изготовителя или у продавца 10а Рассмотрение заявкидекларации с прилагаемыми документами Испытания образцов, Анализ состояния взятых у изготовителя или у производства продавца. Анализ состояния производства Схему сертификации 1 рекомендуется применять при ограниченном заранее оговоренном объеме реализации продукции, которая будет поставляться (реализовываться) в течение короткого промежутка времени отдельными партиями по мере их серийного производства (для импортной продукции - при краткосрочных контрактах; для отечественной продукции - при ограниченном объеме выпуска). Схему 2 рекомендуется применять для импортной продукции при долгосрочных контрактах или при постоянных поставках серийной продукции по отдельным контрактам с выполнением инспекционного контроля на образцах продукции, отобранных из партий, завезенных в Российскую Федерацию. Схему сертификации 3 лучше использовать для продукции, стабильность серийного производства которой не вызывает сомнения. Например, проведение обязательной продукции в области пожарной безопасности осуществляется, как правило, по схемам 3а или 7. Схема 4 применяется при необходимости всестороннего и жесткого инспекционного контроля продукции серийного производства. Например, в медицинской и военной промышленности. 162 Схемы сертификации 5 и 6 рекомендуется применять при сертификации продукции, для которой реальный объем выборки для испытаний недостаточен для объективной оценки выпускаемой продукции; технологические процессы чувствительный к внешним факторам; установлены повышенные требования к стабильности характеристик выпускаемой продукции; сроки годности продукции меньше времени, необходимого для организации и проведения испытаний в аккредитованной испытательной лаборатории; характерна частая смена модификаций продукции; продукция может быть испытана только после монтажа у потребителя. Условием применения схемы 6 является наличие у изготовителя системы испытаний, включающей контроль всех характеристик на соответствие требованиям, предусмотренным при сертификации такой продукции, что подтверждается выпиской из акта проверки и оценки системы качества. Схему 6 возможно использовать также при сертификации импортируемой продукции поставщика (не изготовителя), имеющего сертификат на свою систему качества, если номенклатура сертифицируемых характеристик и их значения соответствуют требованиям нормативных документов, применяемых в Российской Федерации. Схемы сертификации 7 и 8 рекомендуется применять тогда, когда производство или реализация данной продукции носит разовый характер (партия, единичные изделия). Схемы 9-10а основаны на использовании в качестве доказательства соответствия (несоответствия) продукции установленным требованиям - декларации о соответствии с прилагаемыми к ней документами, подтверждающими соответствие продукции установленным требованиям. В декларации о соответствии изготовитель (продавец) в лице уполномоченного представителя под свою ответственность заявляет, что его продукция соответствует установленным требованиям. Декларация о соответствии, подписанная руководителем организации изготовителя (продавца), совместно с прилагаемыми документами направляется с сопроводительным письмом в орган по сертификации. Орган по сертификации рассматривает представленные документы и в случае необходимости, запрашивает дополнительные материалы (претензии потребителей, результаты проверки технологического процесса, документы о соответствии продукции определенным требованиям, выдаваемые органами исполнительной власти в пределах своей компетентности и т.д.). Одновременно орган по сертификации сопоставляет образец продукции с представленными документами. При положительных результатах орган по сертификации выдает изготовителю сертификат соответствия. Условием применения схем сертификации 9-10а является наличие у заявителя всех необходимых документов, прямо или косвенно подтверждающих соответствие продукции заявленным требованиям. Если указанное условие не выполнено, то орган по сертификации предлагает заявителю сертифицировать данную продукцию по другим схемам сертификацией с возможным учетом отдельных доказательств соответствия из представленных документов. Данные схемы целесообразно применять для сертификации продукции субъектов малого предпринимательства, а также для сертификации не повторяющихся партий небольшого объема 163 отечественной и зарубежной продукции. В Системе сертификации ГОСТ Р общие правила и порядок оплаты работ по обязательной сертификации установлены документом «Правила по сертификации. Оплата работ по сертификации продукции и услуг» и введены в действие с января 2000 [3]. Основные издержки заявителя, связанные с проведением работ по обязательной сертификации, складываются из следующих элементов: оплата работ органа по сертификации продукции; оплата оценки системы качества (при наличии у предприятия сертификата соответствия системы менеджмента качества международному стандарту ISO 9001:2000 процедура оценки и анализа производства существенно облегчается, оплата инспекционного контроля. Величина оплаты работ по обязательной сертификации определяется на основе расчетов и зависит от выбранной схемы сертификации, сложности продукции и примененного метода испытаний. Сертификат соответствия Системы Менеджмента Качества организации международному стандарту ISO 9001:2000 является необходимым требованием при работе на многих международных рынках. Подача заявки в сертификационный орган на сертификацию ЭТАП 1 СМК на соответствие требованиям ISO 9001 и заключение договора. ЭТАП 2 Проведение анализа документации. Проведение сертификационного аудита в организации, включающего проверку документации и ее выполнение в ЭТАП 3 соответствии с требованиями ISO 9001 и внутренними документами. Рассмотрение сертификационным органом результатов ЭТАП 4 сертификационного аудита и выдача сертификата, сроком на 3 года. ЭТАП 5 Проведение инспекционных аудитов на время действия сертификата ( 3 аудита). Рисунок 39 – Этапы сертификации системы менеджмента качества 164 ISO серии 9000 – это система международных стандартов, разработанных Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization или сокращенно – ISO), которая представляет собой набор требований по обеспечению и организации процесса управления качеством продукции и услуг. Основная концепция стандартов ISO серии 9000 (ISO 9001, ISO 14001, OHSAS 18001) заключается в определении набора требований и рекомендаций к системе управления качества организаций. Причем, одной из главных особенностей модели ISO серии 9000 заключается в универсальности требований. Таким образом, требования стандартов ISO серии 9000 можно применять для любой организации вне зависимости от ее сферы деятельности, рынка, количества служащих и т.д. На базе международного стандарта ISO 9001:2000 разработан отечественный стандарт ГОСТ Р ИСО 9001-2001, который формулирует требования к Системе Менеджмента Качества компании, см. рис. 18. В поддержку данного стандарта в России имеется ряд законодательных решений о необходимости сертификации на соответствие ГОСТ Р ИСО 9001-2001. В частности, в соответствии с Постановлением Правительства №113 от 02.02.1998, одним из условий получения госзаказа является наличие данного сертификата. То есть, сертификат ГОСТ Р ИСО 9001-2001 является хорошим инструментом для повышения престижа, конкурентоспособности и, как следствие, эффективности бизнеса компании на внутреннем рынке. 165 ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Образец санитарно-эпидемиологического заключения 166 ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Образец сертификата пожарной безопасности 167 ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное) Образец сертификата соответствия 168 Список литературы 1. Крылова, Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: учебник для вузов/ Г.Д. Крылова. – М.: ЮНИТИ-ДА НА, 2000.-711с. 2. Якушев, А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: учебник для вузов/ А.И. Якушев, Л.Н. Воронцов, Н.М. Федотов. – М.: Машиностроение, 1986. – 352 с. 3. Палей, М.А.. Допуски и посадки: справочник в 2 ч. – 8-е изд., перераб. и доп./М.А. Палей, А.Б. Романов, В.А. Брагинский. – СПб.: Политехника, 2009. – Ч. 1. - 530 с., Ч. 2. – 629 с. 4. Романов, А.Б. Допуски изделий и средства измерений: справочник/ А.Б. Романов. – СПб.: Политехника, 2003. – 291 с. 5. Романов, А.Б. Выбор посадок и требований точности: справочнометодическое пособие/ А.Б. Романов, Ю.Н. Устинов. - СПб.: Политехника, 2008. - 206 с. 6. Романов, А.Б. Таблицы и альбом по допускам и посадкам: справочное пособие/ А.Б. Романов, В.Н. Федоров, А.И. Кузнецов — 2-е изд., - СПб.: Политехника, 2009 г. - 88 с. 7. Романов, А.Б. Основы линейных и угловых измерений: учебное пособие/ А.Б. Романов, А.И. Кузнецов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003.–13 с. 8. Гусев, К.И. Метрологическое обеспечение, взаимозаменяемость, стандартизация: учебное пособие/ К.И. Гусев, Р.В. Медведева, Е.П. Мышелов, Е.А.Яковлев. – М.: Машиностроение, 1992. – 384 с. 9. Романов, А.Б. Простейшие инструменты и механические измерительные приборы: методические указания/ А.Б. Романов, М.Ф. Барсуков. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1980.–44с. 10. Романов, А.Б. Расчет и выбор посадок для соединений: методические указания/ А.Б. Романов, М.Ф. Барсуков. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1980. – 40 с. 11. Романов, А.Б. Размерные цепи: методические указания/ А.Б. Романов. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1980. – 46 с. 12. Романов, А.Б. Методика расчета посадок по отклонениям: методические указания/ А.Б. Романов, А.И. Кузнецов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003.–11 с. 13. Романов, А.Б. Методика расчета вероятности зазоров и натягов в посадках: методические указания/ А.Б. Романов, А.И. Кузнецов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. – 10 с. 14. Романов, А.Б. Плоскопараллельные концевые меры длины: методические указания/ А.Б. Романов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. – 11 с. 15. Романов, А.Б. Штангенинструменты: методические указания/ А.Б. Романов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. – 12 с. 16. Романов, А.Б. Микрометрические инструменты: методические указания/ А.Б. Романов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. – 11 с. 169 17. Романов, А.Б. Механические приборы для линейных измерений: методические указания/ А.Б. Романов, Ю.Н. Устинов. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2003. – 12 с. 18. Романов, А.Б. Измерения на оптико-механических приборах (оптиметрах, длиномерах): методические указания/ А.Б. Романов, М.Ф. Барсуков. – Л.: ЛТИ им.Ленсовета, 1989. – 18 с. 19. Романов А.Б. Измерения углов и конусов: методические указания/ А.Б. Романов. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1989. – 16 с. 20. Романов А.Б. Измерительные микроскопы и проекторы: методические указания/ А.Б. Романов. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1990. – 17 с. 21. Романов А.Б. Измерение, контроль и оценка шероховатости поверхностей: методические указания/ А.Б. Романов. – Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1982. – 22 с. 170 Оглавление Введение................................................................................................................................................... 3 1 Метрология ......................................................................................................................................... 4 1.1Задачи и основные положения метрологии ......................................................................... 4 1.2 Государственная система обеспечения единства измерений ГСИ .............................................. 5 1.3 Единицы физических величин ...................................................................................................... 8 1.4 Классификация средств измерений .............................................................................................. 10 1.5 Методы измерений ......................................................................................................................... 13 1.6 Метрологические характеристики измерительных средств ...................................................... 14 1.7 Погрешности измерений ............................................................................................................... 15 1.8 Конструктивные и метрологические характеристики средств линейных и угловых измерений .............................................................................................................................................. 21 1.8.1 Плоскопараллельные концевые меры длины ............................................................................ 21 1.8.2 Штангенинструменты и микрометрические инструменты ...................................................... 24 1.8.3 Измерительные приборы ............................................................................................................. 27 2 Стандартизация ................................................................................................................ 32 2.1 Цели и содержание стандартизации .............................................................................................. 32 2.2 Стандартизация в РФ ..................................................................................................................... 34 2.3 Принципы и методы стандартизации .......................................................................................... 38 2.4 Международные организации по стандартизации ....................................................................... 40 2.5 Управление качеством продукции ................................................................................................. 41 3 Стандартизация допусков и посадок. Взаимозаменяемость.......................................................... 44 3.1 Сущность и виды взаимозаменяемости ....................................................................................... 44 3.2 Понятие о точности изготовления ............................................................................................... 47 3.3 Основные понятия о допусках и посадках ............................................................................... 50 3.4 Система допусков и посадок для гладких соединений .......................................................... 55 3.4.1 Принципы ЕСДП .......................................................................................................................... 56 3.4.2 Особенности точности и взаимозаменяемости некоторых ...................................................... 66 изделий (угловые и конусные детали, детали из пластмасс, ............................................... 66 изделия химического аппаратостроения) ......................................................................................... 66 3.5 Обозначения допусков и посадок на чертежах. Шероховатость поверхностей...................... 68 3.5.1 Посадки. Допуски размеров ........................................................................................................ 68 3.5.2 Допуски формы поверхностей (TF) ........................................................................................... 71 3.5.3 Допуски расположения поверхностей (ТР) ............................................................................... 74 3.5.4 Шероховатость поверхностей ..................................................................................................... 79 3.6 Конструктивно-технологические характеристики, ................................................................... 83 расчет и выбор посадок с натягом ....................................................................................................... 83 3.7 Характеристика, расчет и выбор переходных посадок ............................................................. 87 3.8 Посадки с зазором .......................................................................................................................... 91 3.9Расчет и выбор посадок для подшипников скольжения ............................................................... 95 жидкостного трения ............................................................................................................................ 95 3.10 Калибры для контроля деталей гладких цилиндрических соединений. Выбор средств измерения ............................................................................................................................................... 98 3.10.1 Назначение и конструкции калибров ....................................................................................... 98 3.10.2 Допуски калибров ................................................................................................................... 101 3.10.3 Выбор измерительных средств .............................................................................................. 102 3.11 Размерные цепи ........................................................................................................................... 104 3.11.1 Основные понятия размерных цепей ................................................................................... 104 3.11.2 Метод max – min (полной взаимозаменяемости) ................................................................ 106 171 3.11.3 Метод теоретико-вероятностный ......................................................................................... 108 3.11.4 Метод селективной сборки.....................................................................................................110 3.11.5 Метод пригонки ......................................................................................................................... 111 3.11.6 Метод регулирования (компенсаторов) .................................................................................. 111 3.11.7 Допуски на расстояния между осями отверстий ..................................................................112 3.11.8 Расчет функциональных и размерных цепей........................................................................117 с учетом времени эксплуатации.........................................................................................................117 3.12 Посадки подшипников качения ................................................................................................. 121 3.13 Взаимозаменяемость резьбовых деталей ................................................................................. 126 3.14 Взаимозаменяемости деталей шпоночных и шлицевых соединений .................................... 133 3.14.1 Шпоночные соединения .......................................................................................................... 133 3.14.2 Шлицевые соединения ............................................................................................................ 135 3.15 Взаимозаменяемость зубчатых колес и передач ...................................................................... 138 3.15.1 Кинематическая точность, плавность работы и контакт зубьев в передаче ....................... 138 3.15.2 Боковой зазор. Виды сопряжений зубьев в передаче........................................................... 147 4 Основы сертификации ..................................................................................................................... 153 4.1 Сущность и содержание сертификации ....................................................................... 153 4.2 Обязательная и добровольная сертификация ............................................................... 154 4.3 Система сертификации, правила и порядок ................................................................. 155 проведения сертификации ...................................................................................................... 155 4.4 Схемы сертификации ...................................................................................................... 156 4.5 Основы сертификации испытаний ................................................................................. 156 4.6 Обеспечение качества сертификации ............................................................................. 157 4.7 Проведение сертификации на предприятиях ........................................................................... 157 ПРИЛОЖЕНИЕ А .............................................................................................................................. 167 (справочное) ........................................................................................................................................ 167 Образец санитарно-эпидемиологического заключения .................................................................. 167 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ............................................................................................................................... 168 (справочное)......................................................................................................................................... 168 Образец сертификата пожарной безопасности ............................................................................... 168 ПРИЛОЖЕНИЕ В ............................................................................................................................... 169 (справочное)........................................................................................................................................ 169 Образец сертификата соответствия .................................................................................................. 169 Список литературы ............................................................................................................................. 170 172 Кафедра теоретических основ материаловедения Учебное пособие Метрология, стандартизация и сертификация Аркадий Борисович Романов _________________________________________________________________________________ Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90 Печ. л. 10,9 Тираж 120 экз. Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) ИК «Синтез» ___________________________________________________________________________________ 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 173
