Отклонения и допуски формы поверхностей

Реальные поверхности деталей, получаемые с помощью любых технологических процессов, всегда характеризуются отклонениями от номинальной (геометрически правильной) формы. Можно предполагать, что для удовлетворительного выполнения определенных функций в готовом изделии вполне пригодны детали, реальные поверхности которых только приближаются к заданному идеалу в большей или меньшей мере. Поэтому требование идеальной формы не только невыполнимо, но и экономически неоправданно.

Если рассматривать номинально цилиндрическую поверхность или призматический элемент детали, можно проследить взаимосвязь между текущими размерами в разных сечениях и формой поверхности, а также расположением поверхностей, если их несколько. Максимальные отклонения формы и расположения поверхностей годной детали не могут быть больше тех, что допускают предельные контуры детали. Значит, если взять за основу концентрическое расположение предельных контуров, ограничивающих цилиндрическую поверхность (рисунок 3.9 а), то допустимое отклонение формы (в предельном случае – допуск формы Т_формы), определяется через допуск соответствующего размера и не превысит половины значения допуска размера (Т_формы = IТ/2). Аналогичные рассуждения можно провести и для отклонений от прямолинейности и плоскостности (рисунок 3.9 б), в этом случае можно принять T_формы = IТ.

Рис. 3.9. Схемы предельных контуров для цилиндрической поверхности (а) и для плоской поверхности призматического элемента детали (б)

Анализ отклонений формы типовых поверхностей (цилиндрической и плоской) позволяет сделать два вывода:

1. Нормировать отклонения формы следует, только если их необходимо ужесточить по сравнению с теми значениями, которые уже фактически установлены при назначении допуска размера, поскольку заданные поля допусков размеров всегда ограничивают отклонения формы.

2. В систему допусков формы обязательно следует включить допуски для наиболее часто встречающихся типовых случаев. В первую очередь следует нормировать допуски формы номинально плоских поверхностей и поверхностей типа тел вращения.

Стандартная номенклатура допусков формы (допуски прямолинейности, плоскостности, круглости, профиля продольного сечения и допуск цилиндричности номинально цилиндрической поверхности) позволяет нормировать не только плоские и цилиндрические поверхности, но и элементы любых поверхностей вращения (сферы, конуса, тора, эллипсоида, параболоида и т.д.). При этом можно нормировать прямолинейные профили плоских поверхностей и линейчатых поверхностей вращения, задавать допуски прямолинейности не только образующих цилиндра и конуса, но и осей поверхностей вращения.

Следует различать допуски формы –нормативные ограничения отклонений формы назначенными полями допусковиотклонения формы– характеристики любой реальной поверхности.

Для оценки отклонений формы реальной поверхности от геометрически правильной (номинальной или идеальной) необходимо задавать системы координат (направления осей или плоскостей) и начало отсчета отклонений. Отклонения формы принято отсчитывать от геометрически правильного элемента, в направлении нормальном к нему (по перпендикуляру к прямой или плоскости, или по радиусу круга либо цилиндра). Такой «базовый» элемент строят как геометрически правильный касательный элемент или элемент, пересекающий реальный.

Стандарт ГОСТ 24642-81 устанавливает в качестве базы для отсчета отклонений формы прилегающий элемент. Прилегающий элемент имеет номинальную (геометрически правильную) форму и проходит вне материала детали. Прилегающий элемент располагается относительно реального таким образом, чтобы наибольшее отклонение приобрело наименьшее из всех возможных значений(рис. 3.10).

Прилегающая окружность, прилегающий цилиндр должны иметь экстремальные размеры: для внутренних элементов это вписанная окружность или цилиндр наибольшего диаметра, для наружных – описанная окружность (цилиндр) наименьшего возможного диаметра (рисунок 3.10).

Прилегающий элемент выполняет еще одну функцию – от него «в тело детали» строится поле допуска формы.

Рис. 3.10. Прилегающие элементы

- отклонение реального элемента от прилегающего элемента

Т – допуск параметра

L – длина

Прилегающая окружность, прилегающий цилиндр должны иметь экстремальные размеры: для внутренних элементов это вписанная окружность или цилиндр наибольшего диаметра, для наружных – описанная окружность (цилиндр) наименьшего возможного диаметра (рисунок 3.10).

Прилегающий элемент выполняет еще одну функцию – от него «в тело детали» строится поле допуска формы.

В стандартах ряда стран база для отсчета отклонений формы установлена в виде среднего элемента. Средний элемент проще реализуется аналитически (с помощью вычислительной техники), обладает более высокой воспроизводимостью при повторном контроле деталей, а также большей стабильностью при износе и незначительных деформациях поверхностей. С другой стороны, он хуже приспособлен для аналитической оценки положения сопрягаемой поверхности в подвижном соединении, его нельзя материализовать с помощью оправок, лекальных линеек, поверочных плит и других инструментов.

Относительные достоинства и недостатки базовых элементов могут существенно изменяться в зависимости от конкретного назначения деталей и сопряжений. Поэтому отечественный стандарт допускает использование среднего элемента для определения значений отклонений формы, хотя за основную базу при отсчете отклонений принят прилегающий элемент. В случае использования среднего элемента возникает дополнительная методическая погрешность измерения отклонений, значение которой при необходимости можно учитывать.

При назначении допусков формы поверхностей устанавливают комплексное ограничение, распространяющееся на любые закономерные и случайные отклонения формы. Реальные отклонения формы можно аналитически подразделять на комплексные и элементарные.

К комплексным видам погрешностей формы номинально плоских поверхностей относятся отклонения от прямолинейности и плоскости.

Отклонением от прямолинейности, называется наибольшее расстояние ∆ от точек реального профиля до прилегающей прямой в пределах нормируемого участка L (рис. 3.11). Наибольшее допускаемое значение отклонения от прямолинейности является допуском прямолинейности Т. Область на плоскости, ограниченная двумя параллельными прямыми, отстоящими друг от друга на расстоянии, равном допуску прямолинейности Т, называют полем допуска прямолинейности в плоскости.

Рис. 3.11. Отклонения от прямолинейности (∆), допуск прямолинейности Т

Отклонение от плоскости – наибольшее расстояние от точек поверхности до прилегающей плоскости в пределах нормируемого участка.

К элементарным видам погрешностей формы номинально плоских и номинально прямолинейных поверхностей относят выпуклость и вогнутость. Выпуклость номинально плоской поверхности (рис. 3.12)(или номинально прямолинейного элемента) характеризуется тем, что удаление точек реальной поверхности(или реальной прямой) от прилегающей плоскости (прямой) увеличивается от середины к краям; при обратном характере удаления точек имеет место вогнутость.

а б

Рис. 3.12. Элементарные погрешности формы

номинально плоских поверхностей:

выпуклость – а, вогнутость – б

К комплексным погрешностям формы номинально круглых сечений деталей типа тел вращения относится отклонение от круглости. Для номинально цилиндрических поверхностей принято рассматривать отклонения от цилиндричности, от круглости и от правильной формы продольного сечения.

Отклонение от цилиндричности называется наибольшее отклонение ∆ от точек реальной поверхности до прилегающего цилиндра в пределах нормируемого участка. Этот обобщенный (комплексный) показатель трудно определить из-за отсутствия надежных приборов, поэтому его на рабочих чертежах не указывают. Используют заменяющие способы нормирования и измерения, представленные двумя другими отклонениями формы – круглость и профиль продольного сечения, расчленяющие комплексный показатель.

Отклонением от круглостиназывается наибольшее расстояние ∆ от точек реального профиля до прилегающей окружности. Допуск круглости Т – наибольшее допускаемое значение отклонения от округлости. Поле допуска круглости – область на плоскости, перпендикулярной оси вращения или проходящей через центр сферы, ограниченная двумя концентрическими окружностями, отстоящими одна от другой на расстоянии. Равном допуску круглости Т.

К элементарным погрешностям формы номинально круглых сечений деталей типа тел вращения относятся овальность и огранка, а для номинально цилиндрических поверхностей – конусообразность, бочкообразность, седлообразность, а также отклонение от прямолинейности оси или изогнутость оси (рис. 3.13).

Овальность представляет собой отклонение от круглости, при котором наибольший и наименьший диаметры реального профиля находятся во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 3.13 а). Огранка (рис. 3.13 б, в) является специфичным отклонением от круглости, при котором поперечное сечение имеет форму квазимногоугольника. Наиболее неблагоприятной считается огранка с тремя и пятью «гранями».

Рис. 3.13. Элементарные погрешности формы номинально цилиндрических поверхностей в поперечном сечении: овальность (а), трехгранная огранка (б)

и четырехгранная огранка (в); в продольном сечении: – конусообразность (г), бочкообразность (д), седлообразность (е), а также отклонение

от прямолинейности (изогнутость) оси (ж)

Если четную огранку можно обнаружить и измерить при контроле размеров любым двухконтактным средством измерений, то для выявления нечетной огранки приходится использовать специальную трехточечную схему измерений, например, применять контроль детали в призме, как это описано в специальной литературе.

Конусообразность цилиндрической поверхности характеризуется тем, что реальный профиль продольного сечения имеет практически прямолинейные, но не параллельные образующие (диаметры уменьшаются или увеличиваются от одного крайнего сечения к другому). Бочкообразность характеризуется наличием выпуклых образующих (диаметры увеличиваются от краев к середине); при седлообразности образующие вогнутые, а диаметры от краев к середине уменьшаются.

Количественной оценкой всех видов отклонений формы цилиндрических поверхностей (кроме изогнутости оси) является наибольшее расстояние от реального элемента до прилегающего в нормальном направлении (по радиусу прилегающего элемента).

Отклонение от прямолинейности оси (изогнутость) оси поверхности вращения характеризуется практически эквидистантным изгибом образующих и оси. Это отклонение оценивается наименьшим значением диаметра цилиндра, внутри которого располагается реальная ось в пределах нормируемого участка L.

Специальные допуски формы для ограничения элементарных погрешностей стандартом не установлены. При необходимости наложения конкретных ограничений можно либо назначить более общее требование с использованием стандартных допусков формы, либо оговорить особые требования в текстовый (вербальной) форме. Можно использовать смешанный вариант: назначить стандартный допуск формы и текстом оговорить дополнительные или особые требования, например: «Вогнутость не допускается».

Сравнительный анализ стандартных допусков формы позволяет прийти к выводу о том, что и сами допуски могут рассматриваться как элементарные и комплексные. Так допуск прямолинейности, назначенный на номинально плоскую поверхность, является элементарным по отношению к комплексному допуску плоскости. Допуски профиля продольного сечения и круглости, если их рассматривать как элементарные допуски формы цилиндрической поверхности, могут быть заменены комплексным допуском цилиндричности при условии равенства нормируемых значений допусков.