Деталь как объект и результат технологического процесса

Глава 6

Технологические возможности достижения

Требуемого качества детали

Деталь как объект и результат технологического процесса

Напомним, что деталью называют изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Информационный образ детали создан конструктором и содержится в конструкторской документации. Перед технологом деталь предстает в виде конструктивной формы, описанной совокупностью размеров и заполненной определенным материалом. Задача технолога – воспроизвести эту конструктивную форму на заданном материале.

Конструктивная форма детали – это замкнутый объем, образованный сочетанием простых геометрических поверхностей - плоскостей, цилиндров, конусов, сфер и т.д. Например, простейшая втулка образуется сочетанием наружного и внутреннего цилиндров и двух кольцевых плоскостей торцов, перпендикулярных к оси цилиндрических поверхностей. Разные втулки, имея один и тот же состав образующих их поверхностей, отличаются друг от друга размерами этих поверхностей и их взаимным расположением. Так, прирасстоянии между осями наружного и внутреннего цилиндров равном нулю (соосные цилиндры) имеем равностенную втулку. Если же это расстояние отлично от нуля, имеем разностенную (эксцентричную) втулку.

Конструктивная форма детали, набор поверхностей, которые её образуют, размерные соотношения между ними и их точность не являются плодом вольной фантазии конструктора, а определяются теми задачами служебного назначения, решение которых должна обеспечивать деталь. Другими словами, каждая поверхность детали имеет своё определённое функциональное назначение. Для лучшего понимания конструкции детали и логики ее построения, взаимоотношений различных ее частей проследим кратко процесс разработки конструктивной формы детали.

С точки зрения выполняемой функции все поверхности, образующие конструктивную форму детали, разделяются на следующие четыре функциональных группы:

· основная база (ОБ);

· вспомогательные базы (ВБ);

· исполнительные поверхности машины или механизма (ИП);

· свободные поверхности (СП).

Из теории базирования известно, что основную базу детали составляют ее поверхности (либо их элементы), участвующие в опре­делении положения этой детали в машине или сборочной еди­нице.

Комплект основной базы у любой детали может быть полным или неполным, но он обязательно есть и обязательно только один, так как выполняет единственную функцию: определяет положение этой детали в машине. Пример такого полного комплекта в конструктивной форме шестерни приведен на рис. 4.8, неполного в конструктивной форме вала – на рис. 4.9.

Вспомогательные базы детали составляют поверхности, принадлежащие детали, но участвующие в определении положения в машине других деталей. Вспомогательные базы образуют комплекты, в которые входят поверхности (или их элементы), предназначенные для базирования одной детали. Например, на рис. 4.8 в конструктивную форму вала входят два таких комплекта – один неполный для базирования шестерни состоит из цилиндрической поверхности шейки вала и плоского кольцевого торца, второй полный – для базирования шпонки состоит из плоскости дна и боковой плоскости шпоночного паза и цилиндрической поверхности закругления паза. Таких комплектов вспомогательных баз в конструктивной форме детали может быть сколько угодно, их количество зависит от числа других деталей, в определении положения которых участвует проектируемая деталь.

Некоторые детали имеют в своем составе исполнительные поверхности машины или её механизмов. Исполнительными поверхностями машины называют те поверхности составляющих её деталей, которыми она выполняет своё служебное назначение. Так, например, сверлильный станок выполняет своё назначение - об­работку отверстий - сочетанием двух поверхностей: конического отверстия шпинделя, куда устанавливается рабочий инструмент и плоскости стола, куда устанавливается заготовка или приспособление для её крепления. Взаимные движения этих поверхностей (вращение конической поверхности вокруг своей оси и ее поступательное перемещение перпендикулярно плоскости стола) реализуют кинематическую схему формообразования отверстия. Таким образом, только две детали сверлильного станка несут на себе его исполнительные поверхности - шпиндель и стол, остальные детали таких функциональных поверхностей не имеют.

Более широкую группу составляют детали, имеющие в своем составе исполнительные поверхности механизмов. Механизмы предназначены для преобразования движения одних тел в требуемые движения других тел. Поэтому исполнительными поверхностями механизмов называют те поверхности составляющих их деталей, которыми производится преобразование движения по характеру, величине или направлению. Например, в зубчатом механизме преобразование вращательного движения шестерни во вращательное движение зубчатого колеса в противоположном направлении и с другой частотой осуществляется при взаимодействии (перекатывании со скольжением) эвольвентных поверхностей зубьев шестерни и колеса. Эти поверхности и являются исполнительными поверхностями зубчатого механизма и принадлежат они двум деталям - колесу и шестерне. Другие детали зубчатого механизма (валы, шпонки, подшипники, корпус и т.д.) исполнительных поверхностей не имеют.

Рис. 6.1. Последовательность разработки и состав конструктивной формы промежуточного вала редуктора: а) разработка основной базы,

б) разработка комплектов вспомогательных баз, в) организация замкнутого объема комплектом свободных поверхностей

Свободные поверхности предназначены для создания замкнутого объема и ограничения материала, объединяющего в одно целое первые три группы поверхностей (см. рис. 6.1,в). Они не сопрягаются с поверхностями других деталей, как правило, к их точности предъявляются невысокие требования.

Последовательность разработки конструктивной формы детали на примере промежуточного вала редуктора иллюстрируется рис. 6.1. Вначале разрабатывается схема базирования вала и комплект поверхностей его основной базы (рис.6.1,а). Затем для каждой присоединяемой к валу детали разрабатывается схема базирования и соответствующие поверхности вспомогательных баз, которыми вал участвует в реализации этих схем.

На рис. 6.1,б это:

- цилиндрическая поверхность и плоский торец, реализующие выбранную систему координат X₁O₁Y₁Z₁для базирования шестерни;

- плоскость дна, боковая плоскость и цилиндрическая поверхность закругления шпоночного паза, реализующие выбранную систему координат X₂O₂Y₂Z₂ для базирования шпонки;

- цилиндрическая поверхность и плоский торец, реализующие выбранную систему координат X₃O₃Y₃Z₃ для базирования зубчатого колеса;

- плоскость дна, боковая плоскость и цилиндрическая поверхность закругления шпоночного паза, реализующие выбранную систему координат X₄O₄Y₄Z₄ для базирования шпонки.

Вал не имеет в своей конструктивной форме исполнительных поверхностей механизма и поэтому для образования замкнутого объема и объединения в единое целое поверхностей основной и вспомогательных баз нужны свободные поверхности, показанные на рис. 6.1,в.

Конструктивная форма детали описана совокупностью размеров. По объекту описания всю эту совокупность можно разделить на три группы:

· В первую группу входят размеры, описывающие каждую отдельную поверхность.

· Вторую группу составляют размеры, описывающие взаимное расположение поверхностей, входящих в комплект одного функционального назначения (ОБ, ВБ, ИП или СП).

· К третьей группе относятся размеры, описывающие взаимное расположение комплектов поверхностей разного функционального назначения.

Приведем примеры. На рис. 6.2 показано размерное описание цилиндрической поверхности шейки вала. Оно состоит из размера поверхности ød c соответствующим допуском, допуска формы (допускаемое макрогеометрическое отклонение от идеального цилиндра) и допускаемого микрогеометрического отклонения формы – шероховатости R_a.

Рис 6.2. Размерное описание цилиндрической поверхности вала

На рис. 6.3 показаны возможные макрогеометрические отклонения от цилиндричности в осевом сечении – конусность, седлообразность, бочкообразность, волнистость образующей. В радиальном сечении это может быть допускаемая овальность, огранка как отклонения от окружности. Каждое такое отклонение от идеальной формы для цилиндра, как это хорошо видно на рис. 6.3, не может превышать половины допуска на диаметр. В соответствии с ЕСКД эти отклонения особо указываются на чертеже детали, если их допускаемое значение меньше половины допуска на диаметр, если же отклонения от идеальной формы особо не указаны на чертеже, это означает, что они не должны превышать половины допуска диаметра цилиндра.

Рис. 6.3. Макрогеометрические отклонения формы цилиндрической поверхности

На рис. 6.4 показаны отклонения от идеальной формы плоскости – выпуклость, вогнутость, волнистость, образующие некоторое поле ω_ф, которое не должно превышать заданного допуска формы.

Рис. 6.4. Макрогеометрические погрешности формы плоской поверхности

Допускаемая шероховатость задается величиной средней высоты микронеровностей R_z или среднеарифметическим отклонением профиля R_a, которые также можно представить в виде полей рассеяния отклонений точек реальной образующей линии относительно идеальной, как это показано на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Шероховатость поверхности как поле рассеяния отклонений точек реальной образующей относительно идеальной

Пример размерного описания взаимного расположения поверхностей, составляющих основную базу вала, приведен на рис.6.6. На чертеже вала в технических требованиях записано, что цилиндрические шейки под подшипники должны быть сосны и допускаемое отклонение от соосности каждой из них с общей осью не должно превышать допускаемой величины. Общая ось этих шеек А – это ось, проведенная центры окружностей О₁ и О₂ в средних по их длине сечениях., как это показано на рис. 6.6.

Рис.6.6. Размерное описание взаимного расположения поверхностей основной базы вала

Для контроля этих размеров вал устанавливают средними сечениями шеек на опоры. Ножку индикатора устанавливают на расстоянии половины длины шейки от опоры и при провороте вала на опорах на 360⁰ измеряют радиальное биение, которое равно удвоенной несоосности измеряемой шейки с общей осью А. В комплект размеров, описывающих взаимное расположение поверхностей основной базы вала, входит также угловой размер – допускаемая неперпендикулярность базового торца к общей оси А шеек под подшипники. На рис.6.7 приведено размерное описание взаимного расположения исполнительных поверхностей шестерни (эвольвентных поверхностей зубьев). Их взаимное расположение описывается диаметром начальной окружности, шагом S по начальной окружности (взаимное расположение однонаправленных эвольвент) и толщиной зуба t (взаимное расположение разнонаправленных эвольвент).

Рис. 6.7. Размерное описание взаимного расположения

исполнительных поверхностей шестерни

Примеры размерного описания взаимного расположения комплектов поверхностей промежуточного вала редуктора, выполняющих разное функциональное назначение, приведены на рис. 6.8. Размер l₁ описывает положение комплекта вспомогательных баз для базирования шестерни относительно основной базы вала в координатном направлении Z, несоосность цилиндрической шейки ВБ1 с общей осью А описывает положение этого комплекта в координатных направлениях X и Y. Размеромописано положение комплекта ВБ2 для базирования шпонки относительно ВБ1 в координатном направлении Z. Размерами l₃ и l₄ описано положение свободных поверхностей относительно основной (l₄) и вспомогательной (l₃) ВБ2 баз.

Рис. 6.8. Размерное описание взаимного расположения комплектов

разного функционального назначения промежуточного вала редуктора

Конструктивная форма и ее размерное описание образуют геометрическую составляющую качества детали. Стабильность геометрической составляющей качества характеризуется точностью детали. По аналогии с точностью машины под точностью детали понимают степень ее соответствия геометрически правильному прототипу. За геометрически правильный прототип принимают деталь, конструктивная форма которой описана номинальными значениями всех размеров. Количественно точность детали описывается в двух направлениях

· точностью каждой отдельной поверхности, задаваемой при проектировании допусками ее размера, формы и шероховатости, и оцениваемой при изготовлении полями рассеяния этих показателей размерного описания поверхности;

· точностью размеров взаимного расположения поверхностей, образующих конструктивную форму детали, которая при проектировании задается допусками линейных и угловых размеров, а при изготовлении – полями их рассеяния.

Для полного описания качества детали к его геометрической составляющей необходимо добавить характеристику материала, из которого она изготовлена – хим. состав, структуру, физико-механические свойства и т. д. Показатели свойств материала также как и размеры, описывающие конструктивную форму, при изготовлении получают рассеяние, допустимая величина которого ограничивается при проектировании полем допуска. Таким образом, требуемый уровень качества детали описан номинальными значениями размеров и свойств материала детали, а требуемая стабильность качества – их допусками.

Обеспечение требуемого уровня и стабильности качества детали составляет главную задачу технологии. Эта задача решается разными технологиями. Требуемые свойства материала (в машиностроении – это чаще всего металлы и их сплавы) достигаются в технологических процессах термической, химико-термической и т.п. обработки, которые изучаются в таких специальных дисциплинах как «Материаловедение», «Металловедение и термическая обработка», «Технология термической обработки» и т.д. Достижение же геометрической точности детали представляет собой задачу научной и учебной дисциплины «Технология машиностроения» и является предметом рассмотрения настоящего раздела.

При проектировании и реализации технологического процесса (ТП) изготовления детали по каждому заданному показателю точности должны выполняться условия (3.5), (3.6), (3.7), т.е. полученное в партии деталей поле рассеяния (погрешность) показателя точности ωА_дет не должно превышать заданное конструктором поле допуска ТА_дет и должно быть соответствующим образом расположено относительно номинального значения. Эти условия должны выполняться для любого показателя, но при этом оказывается, что средства, которыми располагает технолог для достижения требуемой точности отдельной поверхности и требуемого взаимного расположения поверхностей в конструктивной форме детали принципиально различны.

Это означает, что при анализе действующего технологического процесса изготовления какой-либо детали в нем всегда можно выделить действия, направленные на достижение определенного показателя точности, и средства, с помощью которых обеспечивается это достижение. Это означает также, что при синтезе (проектировании) нового технологического процесса изготовления детали технолог должен по каждому заданному показателю точности из всего арсенала средств технологического воздействия на материалы отобрать, включить в состав технологического процесса и расположить в определенной последовательности во времени и пространстве такие, которые обеспечивают заданную его величину.

Для правильного решения задач проектирования технологического процесса в технологии машиностроения должны содержаться обоснованные рекомендации выбора средств технологического воздействия на материалы, а также определения последовательности и условий их выполнения, обеспечивающих, в конце концов, достижение на готовой детали всех без исключения заданных показателей точности.