Функциональный, конструкционный, технологический и метрологический аспекты точности

СОВРЕМЕННОЕ ПОНЯТИЕ О ТОЧНОСТИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Под точностью понимают степень соответствия параметров отдельных характеристик готового изделия, определенных значением этого параметра, заданным по чертежу. Такое значение является эталонным.

Поскольку характеристик каждого изготовленного изделия, как правило, много, то из большого их количества отбирают те показатели точности, которые играют решающую роль в оценке качества изделия. Так, точностные показатели изделий могут относиться к массе изделия, напряжениям, шероховатости поверхности, отражательной способности поверхности и др. Однако в технологии машиностроения наибольшее распространение имеют геометрические показатели точности.

Так как ни одна характеристика изделия не может иметь абсолютного значения, непременным условием оценки точности является установление допустимых отклонений значений характеристик. Эти отклонения формируют допуск. Допуск представляет собой разность между двумя предельными допустимыми значениями характеристик. Различают функциональные, конструкторские и технологические допуски. Первые устанавливают исходя из надежного функционирования машины. Сюда, например, могут быть отнесены допуски на размеры проходных сечений жиклеров, форсунок, трубопроводов и др. В функциональный допуск входят эксплуатационный и конструкторский допуски. Эксплуатационный допуск связан с возможными изменениями, происходящими в машине за период длительной эксплуатации. Конструкторский допуск регламентирует изменение различных параметров изделия, в том числе технических, за жизненный цикл детали или изделия.

Назначение технологических допусков в технологии машиностроения еще не нашло должного развития. Если функциональный или конструкторский допуск имеют вполне определенное и единственное значение, устанавливаемое на рабочих чертежах в виде чисел (количественное представление), то технологические допуски имеют множество значений, соответствующих построению конкретного операционного технологического процесса.

Последнее замечание разовьем применительно к допускам геометрического характера, поскольку именно они получили в технологии машиностроения наибольшее распространение. Такие допуски относятся прежде всего к размеру, форме и взаимному расположению поверхностей деталей.

Поскольку после каждого технологического перехода или операции возникают свои геометрические (и иные) параметры, то онидолжны иметь свои технологические размеры и допуски. Их определяют на основе методики расчета припусков по переходам. Промежуточные размеры необходимы для конструирования технологической оснастки, применяемой в ходе изготовления детали. Так, базирующие элементы кондукторов определяют исходя из промежуточных размеров и допусков. Например, первый кондуктор конструируют исходя из размеров и допусков на начальной технологической операции, а второй кондуктор для изготовления той же детали, но на конечных операциях конструируют и изготавливают на основе совершенно других данных.

Понятие точности должно быть непременно связано с функционированием технологической системы. Такая система - станок -готовка - инструмент - оснастка непременно должна быть замкнутой. Разомкнутая система не может характеризовать точность, совершенно не является правомерными утверждения о том, что точность детали определяется точностью металлорежущего станка. Все элементы системы переносят свои свойства и особенности на изготовляемую деталь. Приоритет «станочной составляющей» точности был характерен для первой половины XX века. Но за весь век точностные параметры изделий ужесточились примерно в 2000 раз. На первый план выходят тепловые, динамические и другие показатели технологических систем, регламентирование отклонений формы и взаимного расположения поверхностей. Особое значение такая постановка проблемы имеет при рассмотрении «технологической составляющей» почти всех этапов жизненного цикла изделия, а также при создании виртуальных производств, этапы которых должны рассматриваться с позиции технологических и информационных систем.

Рассмотрение единичной поверхности изготовляемой детали и оценка точности по важнейшим показателям, безусловно, необходимы. Вместе с этим становится наиважнейшей в научном плане оценка системы взаимосвязей поверхностей изготовленной детали. Совокупное представление поверхностей дает единственно правильное понимание роли конкретной детали в собранной машине. Так, достижение с высокой геометрической точностью показателей шейки вала, а также обеспечение малой шероховатости вполне могут быть обесценены, если не будут оговорены характеристики опорных торцев вала и методы обеспечения малых отклонений от плоскостности торцев к оси вала. Это, в свою очередь, может потребовать системного подхода и к другим поверхностям того же вала.

Во многих случаях оценка точности изделий проводится с по­мощью размерного анализа. Методика такого анализа разработана детально для многих технологических решений. Измерительная аппаратура позволяет определять размеры с высочайшей точно­стью не только непосредственным измерением, но и дистанцион­ная оценка размеров в трехмерном пространстве дает возможность в должной мере развивать компьютерную литографию. В связи со сказанным важнейшей задачей является переход к более полной оценке отклонений формы и взаимного расположения поверхностей объектов. Чрезмерное увлечение чисто размерным анализом может только затормозить развитие проблемы точности в машиностроении. Необходимо все методические положения размерного анализа распространять на смежные области точности машиностроительных изделий.

Еще одна особенность технологических допусков относится к операциям сборки. Сборку нельзя себе представить без силового взаимодействия сопрягаемых деталей. Силы и моменты сил, возникающие на операциях сборки, непременно деформируют детали. Эти деформации могут быть как малыми, так и такими, которые выводят детали за пределы допусков. Необходима оценка возникающих деформаций, т.е. погрешностей. Деформированная деталь предстает совершенно в новом свете, поскольку нарушаются поверхности контактов, возникают кромочные явления и целая серия отклонений от геометрических образцов, представленных на рабочих чертежах деталей. Так возникает еще одна серия технологических допусков. Методика оценки таких допусков, их зависимость от технологических факторов и регламентирование значений факторов на многих машиностроительных фирмах содержатся в секрете. Решение же рассмотренной проблемы в последнее время связано с компьютерной поддержкой принимаемых технологических решений. Собственно технологические решения позволяют при правильном осмыслении физической картины явления повысить точность по многим параметрам, не прибегая к дополнительным материальным затратам.

Причины, вызывающие отклонения различного характера в ходе изготовления деталей, практически действуют одновременно. Все эти погрешности как бы аккумулируются на детали. Годность же самой детали проверяют соответствием параметров реальных поверхностей и параметров материала, которые к моменту контроля сформировались в результате технологических воздействий.

Особо оговаривается экономическая составляющая достиже­ния заданной точности. Не существует линейной зависимости между стоимостью машины и величиной достигаемой точности. На­пример, если металлорежущий станок токарной группы имеет при его нормальной точности отклонение между осями шпинделя и отверстия задней бабки ∆ мм, то он стоит N p. Станок же с отклонением 0,25∆ стоит 100N р. Такие соотношения допустимых отклонений и стоимости считаются нормальными. В ряде случаев размерная цепь, составленная из прецизионных деталей, не дает необходимой точности замыкающего звена. Дальнейшее увеличение точности составляющих звеньев не дает ощутимого результата, а стоимость изделия резко возрастает. В таких случаях на сборке используют метод пригонки, иногда требующий, в свою очередь, некоторого изменения конструкции изделия.

Метрологический аспект рассмотрения проблемы точности требует особого внимания. Даже определение отклонения от прямолинейности, когда измерение проводится только по одной трассе, оказывается в производственных условиях операцией, требую­щей больших затрат времени и средств. Сама методика определения данного отклонения предусматривает рассмотрение нескольких величин, полученных измерением, и определения наименьшего из них. Аналогичное замечание необходимо отнести к определению отклонения от плоскостности.

Специальных методик требует определение отклонений от цилиндричности и от конусности.

Оценка точности машиностроительных изделий по параметрам параллельности, перпендикулярности, симметричности и др. может потребовать специальной измерительной аппаратуры, часто использующей электронику и оптику. Предпочтение следует отда­вать таким измерительным средствам, которые имеют самопишущие устройства. Соответствующая диаграмма измерений является объективным свидетельством достигнутой точности. Здесь на пер­вом месте стоят кругломеры, которыми снабжены многие машиностроительные предприятия, выпускающие точные изделия. На кругломерах определяют отклонения от круглости наружных цилиндрических и конических поверхностей, а на некоторых моделях кругломеров - отклонения от прямолинейности образующих. Собственно отклонение от круглости определяют по шаблону, на­лагаемому на круглограмму, выполненную самописцем.

Анализ проблемы точности и ее динамики приводит к выводу, что в текущем веке все параметры точности в машиностроении будут ужесточаться еще больше. В ряде стран введено понятие «нанотехнология», предусматривающее как изготовление, так и измерение параметров, прежде всего геометрического характера с точностью до одной миллиардной метра. Образно говоря, нанотехнология призвана сменить микротехнологию.

Принципиальным является вопрос о характере обеспечения заданной точности. Режущие инструменты в виде клина уже не могут выполнять заданный размер, так как режущая кромка лез­вийного или абразивного инструмента имеет скругление. Поэтому часть материала сходит по передней грани инструмента, а другая часть сглаживается тем же инструментом на поверхности заготовки. На смену таким методам достижения точности, т.е. в противовес методу удаления массы материала, приходит метод нанесения материала в виде тончайших слоев с размерами в нанометрах. Одновременно следует отметить, что собственно нанесение таких слоев позволяет буквально конструировать заготовку, когда на смену слоя из определенного материала приходит другой слой, скрепленный с первым. Если необходимо, создаются оксидная, нитридная и другие зоны или слои заготовки.

Развитие нанотехнологии сопровождается одновременным созданием различных микромашин, требующих высокой точности. По японским и швейцарским данным, такие машины представляют собой миниатюрные насосы для перекачки крови из одного сосуда в другой, роботы, выполняющие медицинские операции внутри полостей человеческого организма, и другие устройства. Точность частей таких механизмов требует, в свою очередь, создания миниатюрных металлорежущих станков. Сообщается, что уже созданы токарные станки со станинами всего в несколько десятков миллиметров и двигателем мощностью в 3 Вт. На таких станках возможно обтачивание валов диаметром до 0,6 мм. Также созданы фрезерные станки высотой, несколько превышающей 100 мм. Во всех случаях создание новых машин, устройств, оборудования диктуется самой жизнью, но непременно связано с уже­сточением параметров точности.