Методы обеспечения точности сборки
При сборке машин возможны погрешности во взаимном расположении деталей и узлов, несоблюдение в сопряжениях требуемых зазоров или натягов.
Причинами этих погрешностей могут быть: отклонения размеров, формы и расположения поверхностей сопрягаемых деталей при изготовлении; неточная установка и фиксация относительного положения деталей при сборке; низкое качество пригонки и регулирования положения сопрягаемых деталей; несоблюдение режима сборочной операции, например, при затяжке винтовых соединений; погрешности изготовления и настройки сборочного оборудования и технологической оснастки и др.
Заданную точность сборки можно получить различными методами: полной взаимозаменяемостью; неполной (частичной) взаимозаменяемостью; групповой взаимозаменяемостью (селективной сборкой); регулировкой; пригонкой или изготовлением детали по месту и применением компенсирующих материалов. Выбор конкретного метода зависит от количества изготовляемых или ремонтируемых однотипных машин, принятой системы организации производства и его технической оснащенности, квалификации рабочих, а также конструктивных особенностей узлов и машины в целом.
Рассмотрим указанные методы обеспечения точности сборки.
Метод полной взаимозаменяемости характеризуется пригодностью для сборки любой детали, узла или агрегата данной партии без дополнительной обработки и пригонки. Сборка с применением метода полной взаимозаменяемости наиболее проста и наименее трудоемка, так как требуемый зазор или натяг в соединении обеспечивается с заданной точностью без дополнительных затрат времени. Однако при полной взаимозаменяемости требуется более высокая точность изготовления деталей, что связано с удорожанием стоимости изготовления, необходимостью применения большого числа точных приспособлений, инструментов и контрольно-измерительных средств.
Применение метода полной взаимозаменяемости целесообразно при сборке простых соединений из небольшого количества деталей, например типа вал-втулка, так как с увеличением числа деталей ужесточаются требования к точности их обработки, что не всегда технически достижимо или экономически целесообразно.
Метод неполной взаимозаменяемости состоит в том, что допуски на размеры деталей, составляющих размерную цепь, преднамеренно расширяют для снижения их себестоимости. Поэтому требуемая точность сборки достигается не у всех соединений деталей, а у заранее установленной их части. Для оставшейся части соединений необходимы разборка и повторная сборка.
Применение метода неполной взаимозаменяемости целесообразно, если дополнительные затраты на выполнение разборочно-сборочных работ меньше затрат на изготовление сопрягаемых деталей при методе полной взаимозаменяемости.
Метод групповой взаимозаменяемости (селективной сборки или подбора) характеризуется тем, что требуемые зазоры или натяги в соединениях получают путем сборки деталей, относящихся к одной из размерных групп, на которые они предварительно рассортированы. При этом в пределах каждой группы требуемая точность сборки достигается методом полной взаимозаменяемости. Это обеспечивает высокую точность сборки без повышения точности изготовления деталей.
Существенным преимуществом данного метода является то, что без снижения по сравнению с методом полной взаимозаменяемости точности сборки можно расширить допуски на все детали во столько раз, на сколько групп разбиты детали, и за счет этого снизить точность их обработки. Благодаря разделению деталей на размерные группы точность сборки методом групповой взаимозаменяемости может быть даже существенно выше, чем при методе полной взаимозаменяемости. Поэтому этот метод широко применяется при производстве высокоточных изделий (подшипников, плунжерных пар и др.). Однако данный метод связан с дополнительной операцией сортировки деталей на размерные группы, необходимостью создания и хранения больших запасов деталей, что увеличивает объем незавершенного производства, материальные и трудовые затраты. Поэтому метод групповой взаимозаменяемости экономически эффективен в условиях крупносерийного и массового производства.
При методе регулировки необходимая точность сборки достигается путем изменения величины или положения компенсирующего звена. Практически это обеспечивается перемещением (рис. 6.1, а) или подбором размера А2 (рис. 6.1, 6) компенсатора для получения требуемого размера замыкающего звена (зазора) АƩ
В конструкции узла по рис. 6.1, а компенсатором является втулка 2, перемещением которой в осевом направлении достигается требуемый зазор в соединении — размер АƩ замыкающего звена. После этого втулка стопорится винтом 1.
В узле по рис. 6.1, б необходимый зазор обеспечивается за счет толщины А2 кольца К, которое в данном случае является компенсатором. Его толщина подбирается по результатам измерения фактического размера замыкающего звена (зазора).
Основным преимуществом подвижных компенсаторов по сравнению с подбираемыми является возможность регулировать точность сборки узла без его разборки с минимальными затратами времени. В качестве подвижных компенсаторов могут служить регулировочные винты, втулки с резьбой, клинья, эксцентрики, детали из упругих материалов и др., некоторые из них представлены на рис. 6.2.
Рис. 6.1 Схемы обеспечения точности сборки методами регулировки (а, 6) и пригонки (в)
Рис. 6.2. Конструктивные разновидности подвижных компенсаторов: а — тяга с резьбовым соединением; б — установочное кольцо со стопорным винтом; в — клиновое устройство; г — разрезная конусная втулка; д — кольцо из эластичного материала
Сборка методом регулировки имеет следующие преимущества: универсальность (метод применим независимо от числа звеньев в цепи, допуска на замыкающее звено и объема выпуска деталей); простота сборки при высокой ее точности; отсутствие пригоночных работ; возможность периодической регулировки соединения в процессе эксплуатации машины для восстановления ее точности.
Метод пригонки (обработки детали по месту) состоит в том, что требуемая точность сборки достигается изменением размера одной из деталей (компенсатора) путем срезания с нее определенного слоя материала. Наиболее распространенные методы пригонки — точение, шлифование, опиливание, шабрение, притирка. Все остальные детали обрабатывают по допускам, экономически приемлемым для данного производства. Компенсатором может быть одна из основных деталей соединения (рис. 6.1, в) или специально предусмотренная деталь (прокладка, кольцо и др.). Например, если в конструкции по рис 6.1, б величину зазора обеспечивать не за счет подбора толщины кольца, а путем срезания с него слоя металла, то точность сборки будет обеспечиваться методом пригонки.
На рис. 6.1, в заданный зазор достигается пригонкой по толщине детали 1, при изготовлении которой предусматривают припуск Z на пригоночные работы.
Метод пригонки используется при сборке изделий с большим числом звеньев, при этом все детали за исключением компенсатора могут быть изготовлены с экономичными допусками, однако требуются дополнительные затраты на пригонку компенсатора. Экономичность метода в значительной мере зависит от правильного выбора компенсирующего звена, которое не должно принадлежать нескольким связанным размерным цепям.
Общим в методах пригонки и регулирования является применение компенсатора с изменением его положения или размеров для обеспечения точности сборки. При применении обоих методов собираемые детали изготовляются по расширенным, экономически достижимым производственным допускам, однако требуется дополнительное время на пригонку или регулирование размеров замыкающего звена для обеспечения требуемой точности изделия. При этом для выполнения пригонки часто необходимы предварительная сборка, проверка правильности положения сопрягаемых деталей и определение работ по пригонке компенсатора. Затем, после разборки, осуществляется подгонка компенсатора. Только после этого производится окончательная сборка. Все это существенно повышает общую трудоемкость сборки и ее стоимость, так как операция пригонки выполняется рабочими высокой квалификации.
При проведении же регулирования необходимость повторной сборки отпадает и трудоемкость сборки снижается. Однако введение специальных деталей (компенсаторов) усложняет конструкцию изделия. Методы регулирования и пригонки характерны для единичного и мелкосерийного производств.
Сборка с компенсирующими материалами. При этом методе требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается применением компенсирующего материала, вводимого в зазор между сопрягаемыми поверхностями собираемых деталей. Данный метод применяется все шире благодаря созданию современных полимерных материалов, в частности, при сборке резьбовых соединений, подшипниковых узлов, соединений и узлов, базирующихся по плоскостям.
Источник
Точность изготовления деталей в машиностроении. Методы обеспечения заданной точности обработки
Под точностью в технологии машиностроения понимается степень соответствия производимых изделий их заранее установленным параметрам. Она в большей мере определяется точностью изготовления отдельных деталей и сборочных единиц.
Точность в машиностроении – понятие комплексное. Оно характеризует не только геометрические параметры машин, но и единообразие свойств изготавливаемых изделий (упругих, динамических, магнитных, электрических и др.).
Понятие геометрической точности включает в себя следующие параметры:
— точность формы поверхностей;
— точность относительного расположения поверхностей;
— физико-механические свойства поверхностного слоя.
Количественные показатели точности и допускаемые отклонения регламентируются Единой системой допусков и посадок и ее стандартами. Задачи обеспечения необходимой точности изделия решаются на этапах их конструирования, разработки и внедрения технологии изготовления.
Качество детали определяется по соответствию свойств материала и геометрического образа детали своему идеальному прототипу. К свойствам материала детали относятся химический состав, структурное состояние, тепло- и электропроводность, прочность, упругость, твердость, распределение и знак остаточных напряжений, качество поверхностного слоя и др.
Расчеты на прочность, жесткость, выносливость, износостойкость позволяют определить основные размеры поверхностей исходя из их служебного назначения и свойств выбранного материала. В результате таких расчетов устанавливают, например, модули, диаметры делительных окружностей и ширину зубчатых венцов, типы подшипников, длины и диаметры шеек валов и т.д.
Но вместе с тем, на значение этих показателей влияет качество реализации технологического процесса и т.д. Таким образом, обеспечение качества и экономичность машины в процессе ее создания является общей задачей конструктора и технолога.
Проблема создания качественных и экономичных машин является важнейшей и наиболее сложной. Сложно не только создание конструкции машины, но и обеспечение ее качества и экономичности при конструировании и изготовлении, так как любая машина создается для выполнения процесса, наделенного вероятностными свойствами, а изготовление сопровождается явлениями случайного характера. Установление необходимой точности и технологическое обеспечение ее в производственных условиях является ответственной задачей конструктора изделий и технолога.
Обеспечение точности создаваемой машины сводится к достижению требуемой точности замыкающих звеньев размерных цепей, заложенных в ее конструкцию, и размерных цепей, возникающих в процессе изготовления машины. Задача обеспечения требуемой точности замыкающего звена в зависимости от предъявляемых к нему требований, типа и условий производства может быть решена экономично одним из пяти методов: полной, неполной, групповой взаимозаменяемости, пригонки или регулирования.
Метод полной взаимозаменяемости предусматривает сборку машин без какой-либо дополнительной обработки деталей с установкой и заменой любой детали без пригонки. При сборке по этому методу требуется более высокая точность изготовления деталей, специальное оборудование и оснастка.
Простейшим примером использования данного метода является достижение требуемой точности зазора при соединении электроламп и патронов, в которые они ввертываются при эксплуатации.
Преимуществами метода полной взаимозаменяемости являются:
– наибольшая простота достижения требуемой точности замыкающего звена, так как построение размерной цепи сводится к простому соединению всех составляющих ее звеньев;
– простота нормирования процессов во времени;
– возможность широкого использования основных преимуществ кооперирования различных цехов и отдельных заводов для изготовления деталей или сборочных единиц машин;
– возможность выполнения технологических процессов сборки рабочими, не обладающими высокой квалификацией, поскольку процесс сводится к простому соединению деталей.
Решение о применении сборки с полной взаимозаменяемостью должно базироваться на анализе работы механизмов и на технико-экономических расчетах. При этом основными факторами, ограничивающими использование этого метода сборки, являются требования применения точных методов обработки большого количества деталей, сложных и точных приспособлений и контрольно-измерительных приборов, что нерентабельно при небольшом объеме производства. Использование метода полной взаимозаменяемости целесообразно в массовом и крупносерийном производствах, в этом случае капитальные затраты на оснащение производства окупаются большим количеством изготовляемых машин.
Границы применения метода полной взаимозаменяемости определяют экономикой производства. В этом легко убедится, если рассмотреть график (рис.2.5.), показывающий зависимость величины возможного брака в партии деталей в зависимости от установленной величины допуска на один из размеров детали.
Рис.2.5. График зависимости величины возможного брака в партии деталей от установленной величины допуска на один из размеров
Рассматривая кривую 1, можно видеть, что по мере уменьшения величины допуска количество выходящих за пределы поля допуска деталей увеличивается. Вначале этот процесс идет медленно (участок а-б), затем темп роста брака увеличивается (участок б-в), наконец при малых величинах допусков брак возрастает настолько резко (участок в-г), что обработка деталей становится неэкономичной и возможно появление сплошного брака.
В таких случаях для достижения высокой точности необходимо перейти на новый технологический процесс (кривая 2), а следовательно, большей частью и на новый вид оборудования. Однако изменение технологического процесса и особенно переход на новый вид оборудования, дающего более высокую точность, обычно связаны с увеличением затрат и, следовательно, себестоимости изготовления детали (изделия).
Относительная себестоимость возрастает с уменьшением допуска по гиперболической кривой, т.к. новое дополнительное оборудование обычно более дорогое и зачастую менее производительное.
Использование метода полной взаимозаменяемости является экономичным в условиях достижения высокой точности при помощи малозвенных размерных цепей. При этом решающее значение имеет также и количество изделий, подлежащих изготовлению. С увеличением количества изделий возрастают возможности экономичного использования более дорогого, но и более производительного и точного оборудования, инструмента и другой технологической оснастки. Если величина допуска в производственных условиях, соответствующих этапу развития техники, оказывается не экономичной, то от использования метода полной взаимозаменяемости приходится отказываться и переходить на другие методы.
Сущность метода неполной (частичной) взаимозаменяемости заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена размерной цепи достигается с некоторым, заранее обусловленным риском путем включения в нее составляющих звеньев без выбора, подбора или изменения их значений.
Преднамеренный риск выхода значений замыкающего звена за пределы допуска, определяемого условиями задачи, обычно незначителен. Однако этот риск позволяет расширить допуски составляющих звеньев в сравнении с их значениями, установленными при достижении точности замыкающего звена методом полной взаимозаменяемости. Эта возможность создается малой вероятностью возникновения крайних отклонений составляющих звеньев и попаданий таких отклонений в одно изделие. Таким образом, метод основан на учете вероятностей отклонений размеров, составляющих размерную цепь.
Отличие рассматриваемого метода от предыдущего заключается в установлении больших по величине допусков на составляющие звенья, что делает изготовление деталей более экономичным. При этом идут на риск получения небольшого процента случаев выхода погрешности замыкающего эвена размерной цепи за пределы установленного допуска. В основе рассматриваемого метода лежит одно из известных положений теории вероятностей, по которому возможные сочетания крайних значений погрешностей всех составляющих размерную цепь звеньев встречаются несравненно реже, чем средних значений, вследствие чего возможный процент изделий, имеющих выход погрешностей замыкающего звена за пределы требуемого допуска, обычно крайне мал.
Дополнительные затраты труда и средств на исправление небольшого количества изделий, вышедших за пределы допуска, в подавляющем большинстве случаев малы, по сравнению с экономией труда и средств, получаемой за счет изготовления составляющих звеньев с большими величинами допусков.
Преимущества данного метода по сравнению с предыдущим возрастают по мере повышения требований к точности замыкающего звена и увеличения количества звеньев в размерной цепи.
Сущность метода групповой взаимозаменяемости (селективной сборки), заключается в том, что требуемая точность исходного (замыкающего) звена достигается путем включения в размерную цепь составляющих звеньев, принадлежащих к одной из групп, на которые они предварительно разбиты.
Добавочные расходы, связанные с необходимостью измерения всех деталей точным измерительным инструментом вручную или автоматически с copтировкой, хранением и доставкой деталей отдельными группами на сборку, должны окупаться за счет экономии, получаемой от обработки деталей по широким, экономически достижимым допускам.
Обычно данный метод используется для достижения более высокой точности замыкающих звеньев малозвенных размерных цепей в шарикоподшипниковой промышленности, в соединениях поршней и пальцев авиационных и автомобильных двигателей и т.д.
Сущность метода пригонки заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена достигается в результате изменения величины одного из заранее намеченных составляющих звеньев (компенсатора) путем снятия с него необходимого слоя металла.
При этом на все составляющие звенья размерной цепи устанавливаются экономичные в данных производственных условиях допуски, что и является основным преимуществом этого метода.
Существенным недостатком метода является необходимость дополнительных работ, связанных с пригонкой компенсаторов по «месту», причем в подавляющем большинстве случаев эти работы выполняются вручную и требуют высокой квалификации рабочего.
Данный метод применим при изготовлении единичных изделий, у которых при большом количестве звеньев в размерных цепях требуется обеспечить высокую точность замыкающего звена.
Сущность метода регулировки заключается в том, что требуемая точность замыкающего звена достигается путем изменения величины заранее забранного компенсирующего звена 6eз снятия с него слоя материала.
Метод регулировки может осуществляться двумя путями:
– изменением положения одной из деталей (метод подвижных компенсаторов);
– введением в размерную цепь специальной детали требуемого размера (метод неподвижного компенсатора, в том числе и метод шайб).
Метод регулировки имеет следующие преимущества:
– возможность достижения любой степени требуемой точности замыкающего звена при экономичных допусках на все составляющие звенья;
– отсутствие пригоночных работ;
– возможность периодически, а в ряде случаев – непрерывно и автоматически сохранять требуемую точность замыкающего звена.
Данный метод эффективен при решении задач достижения высокой точности замыкающего звена в многозвенных размерных цепях, а также в таких размерных цепях, где имеются звенья, изменяющиеся по величине вследствие износа, колебаний температуры и т.д.
Недостатком метода регулировки является увеличение в некоторых случаях количества деталей в машине.
6. Размерные цепи и размерные расчеты. Основные понятия и определения. Решение прямой и обратной задачи
Размерные цепи отражают объективные размерные связи в конструкции машины, в технологических процессах изготовления ее деталей и сборки, при измерении, возникающие в соответствии с условиями решаемых задач.
Размерная цепь – совокупность размеров, непосредственно участвующих в решении поставленной задачи и образующих замкнутый контур. Обозначаются размерные цепи прописными буквами русского алфавита (А, Б, В, …, Я), если они образованы линейными размерами, и строчными буквами греческого алфавита (b, g, …, кроме букв a, d, x, l, w), если их составляют угловые размеры.
Размерные цепи, связывающие исполнительные поверхности машины, называются сборочными размерными цепями. Размерные цепи, при помощи которых проводят измерения, – измерительными размерными цепями. Технологическая размерная цепь – это размерная цепь, связывающая межпереходные размеры поверхностей обрабатываемой детали, так же как и размерные цепи станков, при помощи которых они образованны.
Звено размерной цепи – это размер, определяющий относительное расстояние или поворот поверхностей детали или их осей. Исходное звено – это размер, с которого начинается построение размерной цепи. Замыкающим называют звено размерной цепи, получающееся последним в результате построения. Составляющие звенья – это звенья, изменение величины которых приводит к изменению исходного или замыкающего звена. Уменьшающее звено – это звено, с увеличением которого уменьшается исходное или замыкающее звено. Увеличивающим называют звено, с увеличением которого возрастает исходное или замыкающие звено. Компенсирующие звено – это звено, изменением величины которого поглощается, против допустимой, величина отклонения замыкающего звена. Плоская размерная цепь – это цепь, все звенья которой находятся в одной плоскости или нескольких параллельных плоскостях. Пространственной называют размерную цепь в том случае, если хотя бы одно, входящее в нее звено не удовлетворяет условиям, установленным для плоской размерной цепи.
Расчет прямой и обратной задачи методом полной взаимозаменяемости
При решении размерной цепи приходится иметь дело с двумя видами задач:
1) Прямая – когда при известных величинах допуска и координаты его середины для замыкающего звена размерной цепи требуется определить величины допусков и координат их середин всех составляющих звеньев размерной цепи.
2) Обратная задача – когда при известных величинах допусков и координат их середин всех составляющих звеньев размерной цепи требуется определить допуск и координату его середины для замыкающего звена.
Если обратная задача имеет математически однозначное решение, то прямая задача имеет математически неоднозначное решение, т.к. уравнений для расчета, всегда меньше, чем неизвестных величин. Поэтому решение прямой задачи может быть однозначным только при совместном решении уравнения с другими техноэкономическими закономерностями.
Рассмотрим методики решения этих двух задач.
Обратная задача.Для ее решения Ивановым В.В. предложена следующая методика. Построив схему размерной цепи, подсчитывают допуск замыкающего звена, для чего допуски увеличивающих и уменьшающих звеньев сводят в расчетную таблицу (+,-) руководствуясь следующими правилами записи: для увеличивающих звеньев верхняя граница допуска записывается в колонку «+», а нижняя – в колонку «-», а для уменьшающих звеньев наоборот – нижняя граница допуска – в колонку «+», а верхняя – в колонку «-».
Причем, если при занесении в таблицу (+,-) значения верхних и нижних границ допусков увеличивающих звеньев берутся с теми же знаками, что и на чертеже, то для уменьшающих звеньев знак меняется на обратный.
Затем производится алгебраическое суммирование величин по колонкам и в результате получаем для замыкающего звена верхнюю границу допуска (в колонке +) и нижнюю (в колонке -), причем уже со знаком границ допусков.
При решении прямой задачи, когда по замыкающему звену определяются составляющие звенья, на практике используются три способа распределения допусков:
1) Равномерное распределение допуска 
между составляющими звеньями – способ равных допусков или принцип равных влияний, т.е. полагается, что все звенья в равной степени влияют на образование погрешности замыкающего звена, и, следовательно, величины их допусков могут быть равны. При этом условии средняя величина допуска 
определяется из формулы
где m – количество звеньев в размерной цепи.
Если эта средняя величина допуска оказывается экономически приемлемой в производственных условиях, то ее корректируют, учитывая трудности и экономику получения требуемой точности для каждого из составляющих звеньев размерной цепи.
2) Способ назначения допусков на составляющие звенья, соответствующие одному и тому же квалитету точности обработки – способ равной точности, т.е. в его основу положен принцип одинаковой сложности изготовления всех размеров звеньев.
Известно, что число единиц допуска для каждого квалитета точности характеризует степень сложности получения размера. Поэтому, если абсолютную величину допуска замыкающего звена распределить пропорционально ЕД звеньев размерной цепи, то сложность изготовления всех звеньев будет примерно одинаковой.
В этом случае при решении прямой задачи применяется следующая методика:
1) Графически изображают схему размерной цепи.
2) Определяют количество единиц допусков (К), содержащихся во всей размерной цепи, по формуле
,
где 
– сумма единиц допусков составляющих звеньев размерной цепи.
3) Определяют поля допусков каждого звена размерной цепи, по формуле
4) Определяют координаты середины полей допусков составляющих звеньев размерной цепи, по формуле
Причем «+» берется для увеличивающего звена, а «-» берется для уменьшающего звена.
5) Зная величину допуска 
и координату середины ее поля 
, определяют верхнее и нижнее отклонения i-го звена.
6) Проверяется правильность расчета методом решения обратной задачи.
Источник