Конструктор задает размеры детали, исходя из ее назначения. Обычно для этого производится расчет детали на прочность, жесткость или износостойкость. Учитываются также опыт предшествующего проектирования, удобство изготовления детали или сборки узла и ряд других обстоятельств. Таким образом определяется так называемый номинальный размер, указываемый на чертеже. Относительно него назначают предельные размеры, он служит также началом отсчета отклонений.
Не любой размер, полученный в результате расчета, может быть принят за номинальный. С целью сокращения номенклатуры режущего инструмента, калибров, типоразмеров заготовок и т. д. - а это дает очень большой экономический эффект,- стандарт «Нормальные линейные размеры» (ГОСТ 6636-69) содержит его разрешенные значения. В стандарте установлено 4 ряда нормальных линейных размеров (диаметров, длин и т. д.), причем числа в каждом ряду построены по закону геометрической прогрессии (табл. 3.1). Ряды обозначаются Ra5, Ra10, Ra20 и Ra40 и отличаются различной величиной знаменателя геометрической прогрессии.
При назначении номинальных размеров значения, полученные расчетом, следует округлять до ближайшего большего значения, имеющегося в. стандарте. Следует предпочитать ряды с более грубой градацией, т. е. ряд Ra5 - ряду Ra10, ряд Ra10 - ряду Ra20 и т. д. Это приводит к дальнейшему уменьшению типоразмеров, что выгодно для производства. Применение в качестве номинальных размеров значений, не входящих в ГОСТ, допускается лишь в исключительных, технически обоснованных случаях.
В соединениях различают охватывающие и охватываемые размеры. Примером первых может быть диаметр втулки, надетой на вал, или ширина шпоночного паза под призматическую шпонку, а вторых - диаметр вала или ширина шпонки. В технической литературе охватывающие размеры обозначаются большими буквами (например, D), а охватываемые - малыми (d). На машиностроительных чертежах номинальные и предельные линейные размеры проставляются в миллиметрах без указания размерности. В соединении (например, вал и втулка) обе сопряженные детали имеют одинаковый номинальный размер.
В процессе изготовления деталей невозможно добиться точного выполнения заданного размера. В одной партии каждая деталь имеет свой размер, как правило отличающийся от размеров других деталей. Чтобы определить его, деталь измеряют. Однако результат будет зависеть не только от величины размера, но и от того, каким прибором производят измерение. Так, при измерении диаметра валика штангенциркулем, микрометром и горизонтальным оптиметром получим неодинаковые значения диаметра вследствие различных цен деления приборов и погрешности измерения. Чтобы избежать ошибок, необходимо правильно выбрать прибор для каждого конкретного измерения. Действительным называют размер детали, определенный с допустимой погрешностью. Как правильно выбирать измерительные приборы, см. на с. 278.
Для нормальной работы соединения или машины необходимо, чтобы действительный размер детали находился в определенных пределах. Предельными называют наибольшее и наименьшее допустимые значения размера, между которыми должен находиться или которым может быть равен действительный размер годной детали. Различают наибольший (Dmax, dmax) и наименьший (Dmin, dmin) предельные размеры.
Таблица 3.1. Нормальные линейные размеры
Примечания. 1. Цифры в других десятичных интервалах получают умножением или делением приведенных величин на 10, 100. 1000 и т. д.
2. Стандарт не распространяется на размеры: технологические межоперационные, связанные расчетными зависимостями с другими принятыми размерами или размерами стандартных комплектующих изделий.
Размер - числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т.п.) в выбранных единицах измерения.
Различают действительный, номинальный и предельные размеры.
Действительный размер – размер, установленный измерением с помощью средства измерения с допускаемой погрешностью измерения.
Под погрешностью измерения понимается отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Истинный размер – размер, полученный в результате изготовления и значение которого нам не известно.
Номинальный размер - размер, относительно которого определяются предельные размеры и который служит началом отсчета отклонений.
Номинальный размер указывается на чертеже и является общий для отверстия и вала, образующих соединение и определяется на стадии разработки изделия исходя из функционального назначения деталей путем выполнения кинематических, динамических и прочностных расчетов с учетом конструктивных, технологических, эстетических и других условий.
Полученный таким образом номинальный размер должен быть округлен до значений, установленных ГОСТ 6636-69 «Нормальные линейные размеры». Стандартом в диапазоне от 0,001 до 20 000 мм предусмотрено четыре основных ряда размеров: Ra 5, Ra 10, Ra 20, Ra 40, а также один дополнительный ряд Ra 80. В каждом ряду размеры изменяются по геометрической профессии со следующими значениями знаменателей соответственно рядам: (Геометрическая прогрессия - это ряд чисел, в котором каждое последующее число получается умножением предыдущего на одно и то же число - знаменатель прогрессии.)
В каждом десятичном интервале для каждого ряда содержится соответственно номеру ряда 5; 10; 20; 40 и 80 чисел. При установлении номинальных размеров предпочтение должно отдаваться рядам с более крупной градацией, например ряд Ra 5 следует предпочесть ряду Ra 10, ряд Ra 10 - ряду Ra 20 и т.д. Ряды нормальных линейных размеров построены на базе рядов предпочтительных чисел (ГОСТ 8032-84) с некоторым округлением. Например, по R5 (знаменатель 1,6) берутся значения 10; 16; 25; 40; 63; 100; 250; 400; 630 и т.д.
Стандарт на нормальные линейные размеры имеет большое экономическое значение, состоящее в том, что при сокращении числа номинальных размеров сокращается потребная номенклатура мерных режущих и измерительных инструментов (сверла, зенкеры, развертки, протяжки, калибры), штампов, приспособлений и другой технологической оснастки. При этом создаются условия для организации централизованного изготовления названных инструментов и оснастки на специализированных машиностроительных заводах.
Стандарт не распространяется на технологические межоперационные размеры и на размеры, связанные расчетными зависимостями с другими принятыми размерами или размерами стандартных комплектующих изделий.
Предельные размеры - два предельно допустимых размера, между которыми должен находиться или которым может быть равен действительный размер.
Когда необходимо изготовить деталь, то размер должен задаваться двумя значениями, т.е. предельными допустимыми значениями. Больший из двух предельных размеров называется наибольшим предельным размером, а меньший - наименьшим предельным размером. Размер годного элемента детали должен находиться между наибольшим и наименьшим допускаемыми предельными размерами.
Нормировать точность размера - это значит указать два его возможных (допускаемых) предельных размера.
Принято обозначать номинальный, действительный и предельные размеры соответственно: для отверстий - D, D Д, D max , D min ; для валов - d, d Д, d max , d mln .
Сравнивая действительный размер с предельными, можно судить о годности элемента детали. Условиями годности являются соотношения: для отверстий D min <D Д
Отклонение - алгебраическая разность между размером (предельным или действительным) и соответствующим номинальным размером.
Для упрощения простановки размеров на чертежах вместо предельных размеров проставляют предельные отклонения: верхнее отклонение - алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами; нижнее отклонение - алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами.
Верхнее отклонение обозначается ES (Ecart Superieur) для отверстий и es - для валов; нижнее отклонение обозначается El (Ecart Interieur) для отверстий и ei - для валов.
Согласно определениям: для отверстий ES=D max -D; EI= D min -D; для валов es=d max –d; ei= d mln -d
Особенность отклонений заключается в том, что они всегда имеют знак (+) или (-). В частном случае одно из отклонений может быть равно нулю, т.е. один из предельных размеров может совпадать с номинальным значением.
Допуском размера называется разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами или алгебраическая разность между верхним и нижним отклонениями.
Допуск обозначается IT (International Tolerance) или T D - допуск отверстия и T d - допуск вала.
Согласно определению: допуск отверстия T D =D max -D min ; допуск вала Td=d max -d min . Допуск размера всегда положительная величина.
Допуск размера выражает разброс действительных размеров в пределах от наибольшего до наименьшего предельных размеров, физически определяет величину официально разрешенной погрешности действительного размера элемента детали в процессе его изготовления.
Поле допуска - это поле, ограниченное верхним и нижним отклонениями. Поле допуска определяется величиной допуска и его положением относительно номинального размера. При одном и том же допуске для одного и того же номинального размера могут быть разные поля допусков.
Для графического изображения полей допусков, позволяющего понять соотношения номинального и предельных размеров, предельных отклонений и допуска, введено понятие нулевой линии.
Нулевой линией называется линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются предельные отклонения размеров при графическом изображении полей допусков. Положительные отклонения откладываются вверх, а отрицательные - вниз от нее (рис. 1.4 и 1.5)
Понятие о размерах, отклонениях, допусках и посадках
В машиностроении все детали условно подразделяют на две группы:
1. "валы " – наружные (охватываемые) элементы детали, номинальный размер вала принято обозначать d ;
2. "отверстия " – внутренние (охватывающие) элементы детали, номинальный размер отверстия обозначают D .
Термины "вал" и "отверстие" относят не только к цилиндрическим деталям круглого сечения, но и к элементам деталей любой другой формы.
Количественно геометрические параметры деталей оценивают посредством размеров. Размер – это числовое значение линейной величины (диаметра, длины, высоты и т.п.) в выбранных единицах. В машиностроении размеры указываются в миллиметрах. Различают следующие размеры:
Номинальный размер (D, d, l ) – размер, который служит началом отсчета отклонений и относительно которого определяют предельные размеры. Для деталей, составляющих соединение, номинальный размер является общим. Номинальные размеры находят расчетом их на прочность и жесткость, а также исходя из совершенства геометрических форм и обеспечения технологичности конструкций изделий.
Для сокращения числа типоразмеров заготовок и деталей, режущего и измерительного инструмента, штампов, приспособлений, а также для облегчения типизации технологических процессов значения размеров, полученные расчетом, следует округлять (как правило, в большую сторону) в соответствии со значениями ряда нормальных линейных размеров.
Действительный размер - размер, установленный измерением с допускаемой погрешностью. Этот термин введен потому, что невозможно изготовить деталь с абсолютно точными требуемыми размерами и измерить их без внесения погрешности. Действительный размер детали в работающей машине вследствие ее износа, упругой, остаточной, тепловой деформаций и других причин отличается от размера, определенного в статическом состоянии или при сборке. Это обстоятельство необходимо учитывать при точностном анализе механизма в целом.
Предельные размеры детали - два предельно допускаемых размера, между которыми должен находиться или которым может быть равен действительный размер годной детали. Больший из них называют наибольшим предельным размером, меньший – наименьшим предельным размером. Принятые обозначения их D max и D min для отверстия, d max и d min – для вала. Сравнение действительного размера с предельными дает возможность судить о годности детали.
Выбраковочный размер – размер, при достижении которого деталь изымается из работы. Выбраковочный размер обычно задается в стандартах через границу износа или предел износа.
Отклонением называется алгебраическая разность между размером (действительным, предельным и т. д.) и соответствующим номинальным размером. Отклонения – это вектора, которые показывают насколько предельный размер отличается от номинального. Отклонения всегда задаются со знаком "+" или "–".
Действительное отклонение - алгебраическая разность между действительным и номинальным размерами.
Предельное отклонение - алгебраическая разность между предельным и номинальным размерами. Одно из двух предельных отклонений называется верхним, а другое - нижним. Обозначения отклонений, их определения и формулы приведены в табл. 8.1.
Верхнее и нижнее отклонения могут быть положительными (расположены выше номинального размера или нулевой линии), отрицательными (расположены под нулевой линией), и равными нулю (совпадают с номинальным размером – нулевой линией).
Основные понятия о взаимозаменяемости по геометрическим параметрам удобнее рассматривать на примере валов и отверстий и их соединений.
Вал - термин, условно применяемый для обозначения наружных элементов деталей, включая и нецилиндрические элементы.
Отверстие - термин, условно применяемый для обозначения внутренних элементов деталей, включая и нецилиндрические элементы.
Количественно геометрические параметры деталей оценивают посредством размеров.
Размер - числовое значение линейной величины (диаметра, длины и т. д.) в выбранных единицах измерений.
Размеры подразделяются на номинальные, действительные и предельные.
Определения даются по ГОСТ 25346-89 "Единая система допусков и посадок. Общие положения, ряды допусков и основных отклонений".
Номинальный размер - это размер, относительно которого определяются отклонения.
Номинальный размер получают в результате расчетов (прочностных, динамических, кинематических и т. п.) или выбирают из каких-либо других соображений (эстетических, конструктивных, технологических и т. п.). Полученный таким образом размер должен быть округлен к ближайшему значению из ряда нормальных размеров (см. раздел "Стандартизация"). Основную долю применяемых в технике числовых характеристик составляют линейные размеры. Из-за большого удельного веса линейных размеров и их роли в обеспечении взаимозаменяемости были установлены ряды нормальных линейных размеров. Ряды нормальных линейных размеров регламентируются во всем диапазоне, находящем широкое применение.
Базой для нормальных линейных размеров являются предпочтительные числа, а в отдельных случаях их округленные значения.
Действительный размер - размер элемента, установленный измерением. Данный термин относится к случаю, когда измерение производится для определения годности размеров детали установленным требованиям. Под измерением понимают процесс нахождения значений физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, а под погрешностью измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Истинный размер - размер, полученный в результате обработки детали. Значение истинного размера неизвестно, так как невозможно выполнить измерение без погрешности. В связи с этим понятие "истинный размер" заменяется понятием "действительный размер".
Предельные размеры - два предельно допустимых размера элемента, между которыми должен находиться (или которым может быть равен) действительный размер. Для предельного размера, которому соответствует наибольший объем материала, т. е. наибольшему предельному размеру вала или наименьшему предельному размеру отверстия, предусмотрен термин предел максимума материала; для предельного размера, которому соответствует наименьший объем материала, т. е. наименьшему предельному размеру вала или наибольшему предельному размеру отверстия, - предел минимума материала.
Наибольший предельный размер - наибольший допустимый размер элемента (рис. 5.1)
Наименьший предельный размер - наименьший допустимый размер элемента.
Из этих определений следует, что когда необходимо изготовить деталь, то ее размер должен задаваться двумя допустимыми значениями - наибольшим и наименьшим. У годной детали размер должен находиться между этими предельными значениями.
Отклонение - алгебраическая разность между размером (действительным или предельным размером) и номинальным размером.
Действительное отклонение - это алгебраическая разность между действительным и соответствующим номинальным размерами.
Предельное отклонение - алгебраическая разность между предельным и номинальным размерами.
Отклонения разделяются на верхние и нижние. Верхнее отклонение Е8, еа (рис. 5.2) - это алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами. (ЕЯ- верхнее отклонение отверстия, ег- верхнее отклонение вала).
Нижнее отклонение Е1, е (рис. 5.2) - это алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами. (Е1 - нижнее отклонение отверстия, е - нижнее отклонение вала).
Допуск Т- разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами или алгебраическая разность между верхним и нижним отклонениями (рис. 5.2).
Стандартный допуск П - любой из допусков, устанавливаемых данной системой допусков и посадок.
Допуск характеризует точность размера.
Поле допуска - поле, ограниченное наибольшим и наименьшим предельными размерами и определяемое величиной допуска и его положением относительно номинального размера. При графическом изображении поле допуска заключено между двумя линиями, соответствующими верхнему и нижнему отклонениям относительно нулевой линии (рис. 5.2).
Изобразить отклонения и допуски в одном масштабе с размерами детали практически невозможно.
Для указания номинального размера используется так называемая нулевая линия.
Нулевая линия - линия, соответствующая номинальному размеру, от которой откладываются отклонения размеров при графическом изображении полей допусков и посадок. Если нулевая линия расположена горизонтально, то положительные отклонения откладываются вверх от нее, а отрицательные - вниз (рис. 5.2).
Используя приведенные выше определения, можно вычислить следующие характеристики валов и отверстий.
Схематичное обозначение полей допусков
Для наглядности все рассмотренные понятия удобно представить графически (рис. 5.3).
На чертежах вместо предельных размеров проставляют предельные отклонения от номинального размера. Учитывая, что отклонения мо-
Рис. 5.3.
гут быть положительными (+), отрицательными (-) и одно из них может равняться нулю, то возможны пять случаев положения поля допуска при графическом изображении:
- 1) верхнее и нижнее отклонения положительные;
- 2) верхнее отклонение положительное, а нижнее равно нулю;
- 3) верхнее отклонение положительное, а нижнее отклонение равно нулю;
- 4) верхнее отклонение равно нулю, а нижнее отклонение отрицательное;
- 5) верхнее и нижнее отклонения отрицательные.
На рис. 5.4, а приведены перечисленные случаи для отверстия, а на рис. 5.4, б - для вала.
Для удобства нормирования выделяют одно отклонение, которое характеризует положение поля допуска относительно номинального размера. Это отклонение получило название основного.
Основное отклонение - это одно из двух предельных отклонений (верхнее или нижнее), определяющее положение поля допуска относительно нулевой линии. В данной системе допусков и посадок основным является отклонение, ближайшее к нулевой линии.
Из формул (5.1) - (5.8) следует, что требования к точности размеров можно нормировать несколькими способами. Можно задать два предельных размера, между которыми должны находиться раз-
Рис. 5.4.
а - отверстия; б- вала
меры годных деталей; можно задать номинальный размер и два предельных отклонения от него (верхнее и нижнее); можно задать номинальный размер, одно из предельных отклонений (верхнее или нижнее) и допуск на размер.
На рабочих чертежах проставляют номинальные размеры. Это размеры, рассчитанные при конструировании.
В современном машиностроении детали машин должны изготовлять так, чтобы сборка изделий и их составных частей производилась без подгонки одной детали к другой. Одинаковые детали должны быть взаимозаменяемыми. Только при этом условии возможно производить сборку машин поточным методом. Но идеально точно обработать деталь невозможно из-за неточности станков, на которых обрабатывают детали, неточность измерительных инструментов, несовершенства органов управления.
Размер, полученный в результате измерения готовой детали, называется действительным. Наибольшим и наименьшим предельными размерами называют установленные наибольшие и наименьшие допустимые значения размеров. Допуском размера называется разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. Разность между результатом измерения и номинальным размером называется отклонением размера – положительным, если размер больше номинального, и отрицательным, если размер меньше номинального.
Разность между наибольшим предельным размером и номинальным называется верхним предельным отклонением, а разность между наименьшим предельным размером и номинальным – нижним предельным отклонением. Отклонения обозначают на чертеже знаком (+) или (-) соответственно. Отклонения пишут вслед за номинальным размером более мелкими цифрами одно под другим, например:
Где 100 – номинальный размер; +0,023 – верхнее, а -0,012 – нижнее отклонение.
Полем допуска называется зона между нижним и верхним предельными отклонениями. Оба отклонения могут быть отрицательными или положительными. Если одно отклонение равно нулю то оно на чертеже не проставляется. Если поле допуска расположено симметрично, то величину отклонения наносят со знаком “+-“ рядом с размерным числом цифрами такого же размера, например:
Отклонения размеров углов указывают в градусах, минутах и секундах, которые должны быть выражены целыми числами, например 38 град 43`+-24``
При сборке двух деталей, входящих одна в другую, различают охватывающую и охватываемую поверхность. Охватывающая поверхность носит общее название отверстие, а охватываемая – вал. Размер общий для одной и другой детали соединения, называется номинальным. Он служит началом отсчета отклонений. При установлении номинальных размеров для валов и отверстий необходимо расчетные размеры округлять, подбирая ближайшие размеры из ряда номинальных линейных размеров по ГОСТ 6636-60.
Различные соединения деталей машин имеют свое назначение. Все эти соединения можно себе представить как охватывание одной детали другой или как посадку одной детали в другую, причем одни соединения можно собрать и разъединить, а другие собираются и разъединяются с трудом.
