Принципы построения Международной системы

И.А. Фролов В.А. Нилов

В.А. Муравьев О.К. Битюцких

Метрология, стандартизация, сертификация: ПРАКТИКУМ

Учебное пособие

Воронеж 2006

ГОУ ВПО Воронежский государственный

Технический университет

И.А. Фролов В.А. Нилов

В.А. Муравьев О.К. Битюцких

Метрология, стандартизация, сертификация: ПРАКТИКУМ

Утверждено

Редакционно-издательским советом Воронежского

государственного технического университета в качестве

учебного пособия для студентов машиностроительных

специальностей

Воронеж 2006

УДК 389

Метрология, стандартизация, сертификация: практикум учеб. пособие / И.А.Фролов, В.А.Нилов, В.А. Муравьев, О.К. Битюцких. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2006. 114 с.

Рассматриваются основные вопросы, входящие в дисциплину «Метрология, стандартизация, сертификация» и составляющие основу практических занятий.

По каждой теме практического занятия в учебном пособии приведены необходимые теоретические материалы, варианты заданий, примеры их решений и оформления в соответствии с требованиями курса дисциплины, а также вопросы для проверки знаний.

Практикум предназначен для проведения занятий со студентами специальностей 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением» и 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы», 220402 «Роботы и робототехнические системы», 200503 «Стандартизация и сертификация» всех форм обучения.

Ил. 26 Табл. 25 Библиогр.: 10 назв.

Научный редактор к.т. н., доц. Б.Б. Еськов

Рецензенты: кафедра строительных и дорожных машин ВГАСУ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. П.И. Никулин)

канд. техн. наук И.Г. Радченко

© Фролов И.А., Нилов В.А.,

Муравьев В.А., Битюцких О.К., 2006

© Оформление ГОУ ВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2006

Введение

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

В метрологии решаются следующие основные задачи: разработка общей теории измерений единиц физических величин и их систем, разработка методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства и единообразие средств измерений, эталонов и образцов средств измерений, методов передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средств измерений к рабочим средствам измерений.

Элементы стандартизации появились тогда, когда еще не существовало понятия об этом термине. Примерами могут служить: строительство в ІІІ тысячелетии до н. э. самой высокой египетской пирамиды Хеопса из камней, обработанных до строго определенных размеров; применение кирпичей размером 410 × 200 × 130 мм при сооружении в Египте дворцов фараонов, метода пропорциональных чисел при создании водяных колес и катапульт в Древнем Риме; использование римлянами труб определенных диаметров при сооружении городских водопроводов; оснащение флота в Венеции в ΧΙV-ΧV вв. одинаковыми мачтами, парусами, веслами, рулями.

Примеры использования элементов стандартизации в прошлые времена можно найти и в истории республик распавшегося СССР. Зодчие Армении в ΙΧ-Χ вв. широко применяли стандартные детали при возведении ажурных сводов кафедрального собора «Майр тачара», в конструкциях четырех городских ворот и прокладке водопровода; кирпичи единого образца в это же время использовались при строительстве в Таджикистане.

Стандартизация явилась радикальным средством совершенствования машинного производства, призванного выпускать изделия крупными партиями. Значительным событием было введение в Англии в 1841 г. Единой системы винтовой резьбы, разработанной Джоном Витвортом.

В России стандартизация впервые была применена в середине ΧVΙ в. при изготовлении снарядов для пушек. В ΧVΙΙΙ в. (1706-1715 гг.) Петр Ι предписал мастерам при изготовлении ружей следить за правильным применением калибров, по которым делались детали, и за однородностью отдельных частей ружей. В1826 г. принцип взаимозаменяемости в производстве оружия на Тульском оружейном заводе был блестяще продемонстрирован иностранным представителям. Взятые со склада без выбора тридцать ружей были разобраны и детали их перемешаны. Затем ружья были снова собраны из первых попавших деталей и действовали безотказно. В начале ΧΙΧ в. очередной импульс развития стандартизация получила в связи с началом железнодорожного строительства. Были стандартизованы ширина колеи, цвет вагонов, высота сцепных устройств, диаметры колес и другие элементы.

В современном машиностроении взаимозаменяемость является основным и необходимым условием массового и серийного производства. Например, при массовом выпуске специализированными заводами типовых деталей крепежа (болтов, шпилек, винтов, гаек, шайб и др.), подшипников, зубчатых колес и ряда др. деталей и узлов ускоряется процесс конструирования и изготовления новых машин: конструктору не нужно создавать на них чертежи, а заводу – тратить время и средства на их изготовление.

Измерения имеют большое значение в современном обществе. Они дают возможность обеспечить взаимозаменяемость узлов и деталей, совершенствовать технологию, безопасность труда и других видов человеческой деятельности, качество продукции.

Круг величин, подлежащих измерению, определяется разнообразием явлений, с которыми приходится сталкиваться человеку. Если «Теория механизмов и машин», «Детали машин и основы конструирования», «Технологии металлов» и др. служат теоретической основой проектирования машин и механизмов, то данный курс «Метрология, стандартизация, сертификация» рассматривает вопросы обеспечения точности геометрических параметров как необходимого условия взаимозаменяемости и таких важнейших показателей качества, как надежность и долговечность.

Цель практикума – выработка у будущих инженеров знаний и практических навыков использования и соблюдения требований ГОСТ (государственных стандартов), выполнения точностных расчетов и метрологического обеспечения при изготовлении, эксплуатации и ремонте как строительно-дорожной техники, так и других машин. Задачи практикума: в результате выполнения индивидуальных заданий на практических занятиях по курсу «Метрология, стандартизация и сертификация» студенты должны:

- изучить основные понятия и терминологию, используемые в курсе «Метрология, стандартизация и сертификация»;

- научиться пользоваться стандартами с целью выбора оптимальных допусков при конструировании деталей машин;

- приобрести навыки в расчете размерных цепей при конструировании деталей, узлов или механизмов;

- научиться отличать посадки в системе «Отверстия» от посадок в системе «Вала»;

- приобрести навыки построения полей допусков размеров деталей; посадок с зазором, натягом и переходных с обоснованием условий их применения.

Учебное пособие состоит из восьми разделов:

1. Расчет (выбор) допусков и посадок гладких цилиндрических соединений: а) с зазором; б) с натягом; в) переходные.

2. Определение элементов соединений, подвергаемых селективной сборке.

3. Расчет размерных цепей: прямая и обратная задачи.

4. Расчет исполнительных размеров калибров.

5. Расчет посадок подшипников качения.

6. Расчет допусков и посадок резьбовых соединений.

7. Расчет допусков и посадок шпоночных соединений.

8. Расчет допусков и посадок шлицевых соединений прямобочных и с эвольвентным профилем зуба.

Название раздела соответствует теме практического занятия.

Принципы построения Международной системы

Единиц. Основные понятия и определения допусков

И посадок

Учитывая необходимость охвата Международной системой единиц (System International) всех областей науки и техники, в ней в качестве основных выбраны семь единиц.

В механике такими являются единицы длины, массы и времени, в электричестве добавляется единица силы электрического тока, в теплоте - единица термодинамической температуры, в оптике - единица силы света, в молекулярной физике, термодинамике и химии – единица количества вещества. Эти семь единиц – метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела и моль - и выбраны в качестве основных единиц СИ.

- Единица длины (метр) – длина пути, проходимого светом в вакууме за ¹/_299792458 долю секунды.

- Единица массы (килограмм) – масса, равная массе международного прототипа килограмма.

- Единица времени (секунда) – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

- единица силы электрического тока (ампер) – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия равную 2×10^-7 Н на каждый метр длины.

- Единица термодинамической температуры (Кельвин) – ¹/_273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается использовать также шкалу Цельсия.

- Единица силы света (кандела) – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматические излучения частотой 540×10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет ¹/₆₈₃ ^Вт/_ср.

- Единица количества вещества (моль) – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде – 12 массой 0,012 кг.

Международная система единиц содержит также две дополнительные единицы: для плоского угла – радиан и для телесного угла – стерадиан.

Радиан (рад) – единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад = 57⁰17'44,8''.

Стерадиан (ср.) – единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Телесный уголΩизмеряют косвенно – путем измерения плоского угла α при вершине конуса с последующим вычислением по формуле

Ω = 2π[1 - cos α/2].

Основные понятия и определения допусков и посадок

В соединении двух деталей, входящих одна в другую, различают охватывающую и охватываемую поверхности соединения. В цилиндрических соединениях охватывающая поверхность носит общее название“отверстие”, а охватываемая -“вал”. Названия “отверстие” и “вал” условно применимы также и к другим охватывающим и охватываемым поверхностям. Обозначают: D – номинальный размер отверстия, d – номинальный размер вала. Эти размеры одинаковы.

Предельными называются два предельных значения размера, между которыми должен находиться действительный размер. Большее из них называется наибольшим предельным размером, меньшее - наименьшим предельным размером. Они для отверстия обозначаются D_max и D_min, а для вала – d_max и d_min.

Верхнее предельное отклонение – алгебраическая разность между наибольшим предельным размером и номинальным. Обозначают: ES – верхнее предельное отклонение отверстия, es – верхнее предельное отклонение вала.

ES = D_max - D;

es = d_max - d.

ES – начальные буквы французских слов;

Ecart – отклонение;

Superieur – верхнее.

Нижнее предельное отклонение – алгебраическая разность между наименьшим предельным размером и номинальным. Обозначают: EI – нижнее предельное отклонение отверстия, ei – нижнее предельное отклонение вала.

EI = D_min - D;

ei = d_min - d.

EI– начальные буквы французских слов;

Ecart – отклонение;

Inferieur – нижнее;

ES– верхнее отклонение отверстия;

EI – нижнее отклонение отверстия;

es– верхнее отклонение вала;

ei– нижнее отклонение вала.

Допуск размера – это разность между наибольшим и наименьшим предельным размером. Обозначают: TD – допуск отверстия, Td – допуск вала. Допуск всегда положительное число.

TD = D_max - D_min = ES – E;

Td = d_max - d_min = es - ei.

Рис. 1. Графическое изображение деталей соединения:

а) схема деталей соединения; б) схема расположения полей допусков деталей соединения

Линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются отклонения размеров при графическом изображении допусков и посадок, называетсянулевой линией. Если нулевая линия расположена горизонтально, то положительные отклонения откладываются вверх от нее, а отрицательные – вниз.

Действительное отклонение – алгебраическая разность между действительным и номинальным размерами.

Поле допуска – интервал значений размеров, ограниченный предельными размерами; оно определяется величиной допуска и его расположением относительно номинального размера.

На схеме поле допуска изображается зоной между линиями, соответствующими верхнему и нижнему предельным отклонениям. Верхняя граница поля допуска соответствует наибольшему предельному размеру, нижняя – наименьшему предельному размеру.

Зазор S – положительная разность между размерами отверстия и вала (размер отверстия больше размера вала).

Натяг N – положительная разность между размерами вала и отверстия до сборки деталей (размер вала больше, чем размер отверстия).

Наибольший зазор S_max – положительная разность между наибольшим предельным размером отверстия D_max и наименьшим предельным размером вала d_min.

S_max = D_max – d_min = ES – ei.

Наименьший зазор S_min – положительная разность между наименьшим предельным размером отверстия D_min и наибольшим предельным размером вала d_max.

S_min = D_min – d_max = EI – es.

Наибольший натяг N_max – положительная разность между наибольшим предельным размером вала d_max и наименьшим предельным размером отверстия D_min.

N_max = d_max – D_min =es – EI.

Наименьший натяг N_min – положительная разность между наименьшим предельным размером вала d_min и наибольшим предельным размером отверстия D_max.

N_min = d_min- D_max = ei – ES.

Посадка – это характер соединения деталей, определяемый величиной получающихся в нем зазоров или натягов. Посадка характеризует большую или меньшую свободу относительного перемещения соединяемых деталей в случае зазора или степень сопротивления их взаимному смещению (в случае натяга).