Взаимозаменяемость, точность, допуски и посадки

Взаимозаменяемость – это пригодность одного изделия, процесса или услуги быть использованным для замены другого изделия, процесса, услуги с целью выполнения одних и тех же требований (норм, правил).

Взаимозаменяемость позволяет:

- существенно снизить стоимость сборки,

- широко кооперировать производство и создавать специализированные заводы;

- применять автоматические линии, цехи, предприятия;

- осуществить нормализацию деталей и применение унифицированных узлов.

Взаимозаменяемость тесно связана с точностью детали, за которую будем принимать степень приближения действительных значений геометрических и других параметров к их расчетным значениям.

Точность детали по геометрическим параметрам определяется точностью размера, формы, взаимного расположения поверхностей, а также волнистостью и шероховатостью поверхности.

На рис. 1.6 показан эскиз втулки и обозначены номинальная и действительная поверхности, которые характеризуются соответствующими размерами.

Номинальный профиль Действительный профиль Рис. 1.1. Параметры точности детали

Номинальные размеры определяются, исходя из функционального назначения детали. Действительный размер - текущий размер, измеренный с известной погрешностью.

Погрешность размера (диаметра) определяется по формуле:

DD=D_max-D_min эта погрешность в общем случае различна в различных сечениях детали.

DR - некруглость (отклонение от круга) наружной поверхности (погрешность формы детали).

Погрешность формы определяется как отклонение точек действительной поверхности (цилиндрической или плоской) от идеализированной (геометрически правильной) так называемой прилегающей поверхности или линии, характерной тем, что она расположена максимально близко к действительной. В рассматриваемом примере прилегающая линия – это линия, описанная вокруг действительной поверхности окружность.

е - величина смещения оси отверстия во втулке относительно оси наружной поверхности (прилегающего цилиндра) - величина погрешности взаимного расположения поверхностей.

Совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами называется шероховатостью поверхности.

Так как изготовить деталь абсолютно точно невозможно, принято определять ее норму точности - предельно допустимую погрешность, т.е. допуск, за который принимают границы, в пределах которых допускается изменение регламентируемого параметра.

Допуском размера Т называют разность между наибольшим и наименьшим допустимыми предельными размерами. Понятно: чем меньше допуск, тем выше точность обработки и, следовательно, ее стоимость.

Например, вал имеет предписанные определенными обстоятельствами следующие предельные размеры: наибольший диаметр - d_max=50мм, наименьший - d_min=49,9мм. Следовательно, допуск на изготовление вала равен:

Т=d_max-d_min=50-49,9=0,1мм.

Для упрощения представления размера, например, на чертежах, введены предельные отклонения от номинального размера.

Верхним предельным отклонением Еs(es) называется алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами; нижним предельным отклонением Ei(ei) – называется алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами. Здесь Es и Ei - предельные отклонения отверстия, es и ei - предельные отклонения вала.

Уместно заметить, что если допуск Т- величина всегда положительная, то предельные отклонения могут быть положительными, равными нулю и отрицательными.

Например, для вала с d_max=50мм, d_min=49,9мм и номинальным размером d=50мм предельные отклонения вала равны:

es=d_max-d=50-50=0мм, ei=d_min-d=49,9-50=-0,1мм.

На чертежах размеры обозначают в миллиметрах с указанием номинального значения и предельных отклонений; последние изображают несколько выше и, соответственно, ниже номинального размера и более мелким шрифтом. Например, 50 ; 50^+0,1; 50_-0,2. Отклонение, равное 0, не обозначается, а при равенстве абсолютных величин отклонений их величину указывают один раз со знаком ± и шрифтом, одинаковым с номинальным размером: 50±0,15мм.

Так же, как и допуск размера, все остальные погрешности - формы, взаимного расположения поверхностей и шероховатость поверхности регламентируются соответствующими системами допусков; значения допусков всех этих величин назначаются исходя из функционального назначения детали, узла.

При соединении двух деталей образуются посадки.

Рис. 1.2. Схемы расположения полей допусков отверстия и вала при посадке с зазором

Посадка характеризует степень свободы относительного смещения деталей. В зависимости от функционального назначения посадки могут быть подвижными (с зазором между отверстием и валом), неподвижными (с натягом) и переходными (с возможными зазором или натягом). Для обеспечения различных посадок требуются соответствующие расположения полей допусков сопрягаемых поверхностей (отверстия и вала); это положение иллюстрирует схема расположения полей допусков, представленная на рис.1.7.

На рис. 1.7а показано подвижное соединение отверстия и вала, причем поля допусков сопрягаемых деталей условно смещены в одну сторону: все линии, расположенные ниже оси деталей, сведены к номинальной, как показано стрелками. Это сделано с той целью, чтобы упростить схему (рис. 1.7б), на которой изображено то же, только нижняя часть рисунка, как не обладающая оригинальной информацией, опущена. Верхняя линия, соответствующая номинальному размеру, названа нулевой линией; от нее откладывают, в соответствии с определением, верхнее Es и нижнее Ei отклонения отверстия и соответственно es и еi вала.

На рис. 1.8 приведены схемы расположения полей допусков подвижной (а), неподвижной (б) и переходной (в) посадок для номинального размера D=d=40мм.

Наибольший S_max и наименьший S_min зазоры (рис. 1.8а) равны:

S_max=D_max-d_min=40,025-39,950=0,075мм;

S_min=D_min-d_max=40,000-39,975=0,025мм.

Эти же вычисления, как следует из схемы, проще провести, оперируя отклонениями; с учетом того, что в посадках всегда номинальные размеры отверстия D и вала d равны:

S_max=D_max-d_min=(D+Es)-(d+ei)=Es-ei=(+25)-(-50)=+75мкм;

S_min=D_min-d_max=(D+Ei)-(d+es) = Ei-es=0-(-25)=+25мкм.

а) б) с) Рис. 1.3. Схемы расположения полей допусков: 1- поле допуска отверстия; 2- поле допуска вала

Аналогично для посадки с натягом (Н) (схема б):

H_max =d_max-D_min=(d+es)-(D+Ei)=es-Ei=+50-0=+50мкм;

H_min=ei-Es=(+34)-(+25)=+9мкм.

В переходной посадке (схема в) в зависимости от сочетания размеров отверстия и вала возможны зазор (S_max=+25-(-8)=33мкм) либо натяг (H_max=+8-0=+8мкм).

Для того чтобы унифицировать (рационально сократить) применяемые поля допусков и посадки, в технике используется система допусков и посадок.

Системой допусков и посадок (СДП) называют совокупность рядов допусков и посадок, закономерно построенных на основе опыта, теоретических и экспериментальных исследований и оформленных в виде стандартов. Система предназначена для выбора допусков и посадок соединений деталей машин; она создает возможность стандартизации режущих и мерительных инструментов, облегчает конструирование, производство, ремонт изделий, их взаимозаменяемость. В России применяется государственная СДП (ГОСТ), полностью соответствующая международной СДП ИСО.

Признаки системы.

Основание. Установлены посадки в системе отверстия и системе вала. Посадки в системе отверстия - посадки, в которых различные зазоры и натяги получают соединением основного отверстия Н с различными валами (рис.1.9).

а) б) Рис. 1.4 Расположение полей допусков: а - в системе отверстия; б - в системе вала

В системе вала посадки получают соединением различных отверстий с основным валом h.

Преимущественное распространение получила система отверстия, т.к. в этой системе различных по предельным размерам отверстий меньше, чем в системе вала, что дает возможность сократить номенклатуру “мерного” режущего инструмента - сверл, зенкеров, разверток, протяжек; валы независимо от размера обрабатываются резцом и шлифовальным кругом. Систему вала применяют в отдельных случаях по конструктивным соображениям.

Единица допуска i отражает зависимость допуска Т от диаметра D:

i=0,45× +0,001D. (1.1)

Допуск для любого квалитета (степени точности) равен:

T= а i, (1.2)

где а - коэффициент точности, зависящий от номераквалитета (их всего 18: 01, 0, 1, 2,...).

В системе допусков диапазон размеров до 500мм разделен на несколько интервалов: до 3,3...6; 6...10 и т.д., в пределах которых для всех диаметров интервала допуски приняты одинаковыми. Это сделано с той целью, чтобы система (таблицы) допусков не была громоздкой.

Допуски и отклонения, устанавливаемые стандартами, относятся к деталям, размеры которых определены при температуре +20°С. Такая же температура принята для производственных помещений и измерительных инструментов.

Для образования посадок предусмотрено 27 основных отклонений - отклонений, близких к номинальной линии. Основные отклонения обозначаются буквами латинского алфавита А, B, C, D..., прописными a, b, c, d,… - для отверстий, строчными - валов.

Изложенное иллюстрирует рис. 1.10, на котором показаны поля допусков основных отверстий 6, 7 и 8 квалитетов: Н6, Н7, Н8 (здесь основное отклонение EI=0) и поля допусков валов n (основное отклонение ei=12мкм).

Следует обратить внимание на то, что для Æ16мм допуски деталей одного квалитета одинаковы: для Н7 и для n7 Т=18мкм.

Рис. 1.5. Поля допусков различных квалитетов отверстий H и F, валов h и f

Посадки и предельные отклонения размеров деталей, изображенных на чертежах в собранном виде, указываются дробью, в числителе которой буквенное и (или) числовое значение предельных отклонений отверстия, в знаменателе - вала: .

Погрешность формы регламентирована соответствующей системой допусков, устанавливающих для избранного класса точности предельные отклонения действительной поверхности от плоскости, линии, окружности, цилиндра и т.д.

Если допуск на погрешность формы на чертеже не указан, то эта погрешность не должна выходить за пределы допуска размера. При регламентации отклонения расположения поверхностей реальные поверхности (профили) заменяют прилегающими, а за оси, плоскости симметрии, центры реальных поверхностей (профилей) принимают оси, плоскости симметрии и центры прилегающих элементов.

Например, отклонение от параллельности плоскостей есть разность наибольшего и наименьшего расстояний между прилегающими плоскостями в пределах нормируемого участка.

Отклонение соосности относительно общей оси - наибольшее расстояние (D₁, D₂,... D_n) между осью рассматриваемой поверхности вращения и общей осью двух или нескольких поверхностей на длине нормируемого участка (рис. 1.11).

Рис. 1.6. Схема отклонения от параллельности осей

В практике достаточно широко применяют нормирование суммарного отклонения формы и расположения поверхностей вращения: радиальное биение и торцовое биение.

Шероховатость поверхности - совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная, например, с помощью базовой длины l (рис. 1.12).

Рис. 1.7 Профилограмма и элементы шероховатости поверхности

Числовые значения шероховатости поверхности определяют от единой базы, за которую принята средняя линия профиля, т.е. базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах l среднее квадратическое отклонение профиля этой линии минимально.

Шероховатость поверхности независимо от способа ее обработки можно оценивать средним арифметическим отклонением R a и высотой неровностей Rz.

Среднее арифметическое отклонение профиля R a - среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля y_i в пределах базовой длины l:

R a =

где n - число отклонений профиля y.

Высота неровностей Rz - среднее значение абсолютных высот пяти наибольших выступов Hmax_i и глубин пяти наибольших впадин Hmin_i профиля:

Rz= .

На чертежах значение параметра шероховатости R a указывают без символа (рис. 1.13a), Rz - после соответствующего символа (рис. 1.13б); состояние поверхности, удовлетворяющее установленным стандартам или техническим условиям на сортимент материала, обозначается знаком, показанным на рис. 1.13в. Эта поверхность получается при изготовлении заготовки и механической обработке не подлежит.

В диапазоне R a от 0,63 до 40мкм для одной и той же поверхности значения Rz»4R a.

а б в Рис. 1.8. Знаки обозначения шероховатости на чертежах