Характеристики точности размеров и шероховатости поверхности детали

Механизмы машин и приборов состоят из соединённых различными способами узлов и деталей. Конструкции их соединений должны обеспечить точность взаимного расположения и перемещений узлов и деталей друг относительно друга, надёжность эксплуатации изделия, простоту его ремонта. Поэтому к характеристикам соединений различных типов предъявляют разные требования. В одних случаях необходимо получить подвижное соединение деталей с определённого размера зазором между ними, например, вала с отверстием какого-либо изделия. В других — неподвижное соединение с натягом, который создаётся, если диаметр вала изготовлен больше диаметра отверстия в соединяемой с валом детали.

Наличие зазоров или натягов в соединениях и их значения определяются через соотношения размеров сопрягаемых поверхностей и точность размеров. Точность размера — степень соответствия действительного, определённого измерением значения размера, к его заранее установленному чертежом значению. Точность характеризуется отклонением действительного размера от номинального размера. Номинальный размер — это размер детали, получаемый в результате расчётов на прочность, жёсткость, износостойкость или назначаемый исходя из конструктивных и технологических соображений.

При изготовлении деталей абсолютно точно номинальный размер выполнить невозможно. Действительные размеры всегда имеют отклонения от номинальных размеров. Эти отклонения называют погрешностями обработки. При изготовлении партии деталей действительные размеры деталей получаются разными, имеется разброс этих размеров в определённых пределах. Разброс действительных размеров неизбежен, но при этом должна обеспечиваться работоспособность в соединении любой детали из партии. Это требует, чтобы действительные размеры годных деталей находились в некоторых допустимых пределах, называемых наибольшим и наименьшим предельными размерами. Алгебраическую разность между предельным и номинальным размером называют отклонением. Соответственно наличию наибольшего и наименьшего предельных размеров существуют верхнее и нижнее отклонения.

Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами детали называют допуском. Допускна размер является мерой его точности. С уменьшением допуска повышается требуемая точность размера и наоборот. Допуски на изготовление детали назначает конструктор исходя из условий работы, размеров и технологических возможностей изготовления детали. При этом различные технологические методы получения и обработки заготовок обладают определённой экономически оптимальной точностью. Поэтому задание того или иного допуска на размер детали обусловливает выбор и последовательность применения соответствующего технологического метода обработки заготовки.

В соответствии со стандартом ГОСТ 25346–89 «Основные нормы взаимозаменяемости. ЕСДП. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений» установлены ряды допусков, соответствующие одному уровню точности для всех номинальных размеров. Такие ряды называют квалитетами точности. Всего существует 20 квалитетов точности, которые обозначают порядковыми номерами, возрастающими с увеличением допуска: 0,1; 0; 1; 2;...; 18. В машиностроении обычно используют 5–14-й квалитеты точности. Сокращенно допуск по конкретному квалитету точности обозначают латинскими буквами IT и номером квалитета, например, IT8.

Допуск на изготовление того или иного размера на чертеже не проставляют. Он вычисляется по указанным на чертеже наибольшему и наименьшему отклонениям размера от номинального значения (рис. В.1).

Предельные отклонения могут указываться на чертеже буквенно-цифровым кодом, например, 15h8. В этом коде первые цифры соответствуют значению номинального размера, следующая за ними буква указывает поле (место) расположения допуска относительно номинального размера, а цифра (число) характеризует квалитет точности, т. е. величину допуска на номинальный размер. Для перевода таких кодов в цифровые значения существуют специальные таблицы.

Предельные отклонения размеров указывают на чертежах и в виде числовых значений. При этом нулевые отклонения не проставляют.

В тех случаях, когда размер или размеры детали выполняются с относительно низкой точностью ни буквенно-цифровой код, ни отклонения на эти размеры не ставят.

Для указания предельных отклонений размеров с неуказанными допусками внизу чертежа дают ссылку на ГОСТ 30893.1–2002 в виде «Общие допуски по ГОСТ 30893.1–m», по которому и следует определять отклонения. Возможна простановка ссылки и в виде надписи типа: «Общие допуски по ГОСТ 30893.1: H14, h14, ± IT14 / 2». В этом случае буквенно-цифровые индексы H14, h14, ± IT14 / 2 обозначают, что размеры, у которых не проставлены отклонения, выполняются по 14-му квалитету точности ГОСТ 25346–89. При этом для охватываемых размеров (валов) отклонения следует выполнять по значению, соответствующему буквенно-цифровому коду h14, охватывающих (отверстий) размеров — по Н14, прочие размеры должны иметь симметричные отклонения, соответствующие значениям кода ± IT14/2.

Реальная поверхность детали, полученная в процессе обработки заготовки, отличается от идеальной геометрической поверхности детали, изображаемой на чертеже. Она всегда имеет микронеровности различной формы и высоты в виде микровыступов и микровпадин с небольшими расстояниями между ними. Эта совокупность неровностей представляет собой шероховатость поверхности. Данную характеристику поверхности принято определять по её профилю, который образуется в сечении поверхности перпендикулярной к ней плоскостью (рис. В.2).

Рис. В.2. Профиль шероховатости поверхности и его характеристики

Получаемый профиль рассматривают на некоторой длине ℓ базовой линии, используемой для выделения неровностей и количественного определения их параметров. В качестве базовой линии принимают среднюю линию профиля —линию m‒m. Выступы и впадины профиляпредставляют собой части профиля, ограниченные контуром реальной поверхности и средней линией профиля. Шероховатости оценивают на любом участке обработанной поверхности, который имеет длину не менее базовой длины ℓ.

ГОСТ 25142-82 «Шероховатость поверхности. Термины и определения» устанавливает шесть основных параметров шероховатости. Из них в машиностроении наибольшее распространение получили высотные критерии Rz и Rа.

Высота поверхности профиля по десяти точкам Rz, мкм, представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и пяти глубин наибольших впадин профиля в пределах базовой длины ℓ:

……… ……(В.1)

Значения величин Rz находятся в пределах 0,025–1600 мкм.

Среднее арифметическое отклонение профиля Rа, мкм, определяют как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля от средней линии профиля в пределах базовой длины ℓ:

, (В.2)

где у — расстояние между любой точкой профиля и средней линией m ‒ m.

Значения величин Ra находятся в пределах от 0,08 до 100 мкм, а соотношение параметров Rz и Ra характеризуется примерным равенством Rz ≈ 4Ra.

Для характеристики шероховатости поверхности на чертежах в соответствии с ГОСТ 2.309-73 используют один из знаков, представленных на рисунке В.3.

Рис. В.3. Обозначение шероховатости поверхностей, полученных:

а) — литьем, ковкой, прокатом и т. д., т. е. без удаления материала; б) — удалением слоя материала резанием; в) — не устанавливаемым способом обработки; г, д) — с установленным способом и параметром обработки

Требования к шероховатости поверхности устанавливают исходя из функционального назначения детали конкретного изделия и её конструктивных особенностей. От шероховатости поверхности во многом зависят износостойкость детали, точность и прочность сопряжения деталей в соединении, контактная жёсткость, коррозионная стойкость и усталостная прочность.

Следует отметить, что качество поверхности детали помимо её шероховатости определяется также наличием или отсутствием трещин, структурой приповерхностных слоев материала, наличием в нём пластических деформаций и остаточных напряжений. Чем более ответственной является деталь, тем выше требования к её точности и качеству обработанной поверхности. В связи с этим выбор тех или иных методов изготовления детали определяется не только требованием обеспечения заданной точности, но и соответствующей шероховатостью её поверхностей. Однако здесь, как и в случае назначения той или иной точности размера детали, не следует необоснованно стремиться к низкой шероховатости её поверхностей, поскольку это увеличивает трудоёмкость изготовления и стоимость детали.

Лабораторные работы

Деталь машины, являясь исходной частью любого изделия машиностроения, должна в соответствии со своим функциональным назначением иметь определённую форму, размеры, физико-механические свойства материала и эксплуатационные характеристики образующих её поверхностей. На выполнение этих условий направлена деятельность машиностроительных заводов (цехов), занятых производством конструкционных материалов и заготовок с последующим превращением заготовок в готовые детали. В рамках приведённых далее лабораторных работ рассматриваются технологические методы формообразования поверхностей и управления их свойствами в обрабатывающих цехах на стадии изготовления деталей из заготовок.

Современное машиностроение характеризуется применением для изготовления деталей материалов с особыми физико-механическими характеристиками, обуславливающими их плохую обрабатываемость традиционными методами, созданием деталей сложных форм, предъявлением высоких требований к точности их размеров, качеству поверхностей и производительности изготовления. Эти обстоятельства определили использование в промышленности разнообразных групп и в рамках таких групп многочисленных конкретных технологических методов обработки заготовок. Выбор оптимального метода для изготовления детали при заданной партии её производства и имеющихся производственных условиях требует от технолога знания физических основ конкретных технологических методов, их технологических характеристик, обрабатывающего инструмента, оборудования и технологической оснастки.

Эти вопросы, а также ряд других аспектов, относящихся к изучению технологических методов формообразования поверхностей, составляют основу лабораторных работ по разделу «Технологические методы обработки заготовок» учебной дисциплины «Технология конструкционных материалов». В лабораторных работах уделено внимание методам резания лезвийными и абразивными инструментами. Предусмотрены лабораторные работы, направленные на изучение металлорежущих станков и инструментов, методики их выбора, закономерностей, обусловливающих высокие производительность и качество обработки поверхностей, кинематики металлообрабатывающего оборудования и формообразования зубчатых поверхностей, устройства электромеханического и электрогидравлического приводов станков.

Пособие содержит также лабораторные работы по изучению электрохимического травления и электроэрозионного прошивания отверстий. Эти, а также другие электрохимические и электрофизические технологии, в настоящее время применяют на всех этапах изготовления деталей, начиная от получения заготовок и кончая их отделочной обработкой. Используя технологии данной группы, технологи решают уникальные проектные задачи и создают технологические процессы, обеспечивающие удаление, перемещение или приращение (большого или малого) объёма материала заготовки.

Часть лабораторных работ носит исследовательский характер и связана с установлением взаимосвязей технологических и технико-экономи-ческих характеристик процессов обработки, реализуемых в лабораторных условиях.