точність та якість обробки поверхонь деталей машин

3.1 Поняття про точність, економічна і досяжна точність

Проектування ТП виготовлення виробу обов’язково повинно враховувати вимоги як до точності виготовлення деталей, так і до точності складання вузлів і машин.

Точність– основна характеристика деталей, машин чи приладів. Абсолютно точно виготовити деталь неможливо, так як при її обробці виникають різноманітні погрішності. Тому точність обробки деталей залежить від багатьох факторів і буває різною.

Трудомісткість і собівартість обробки деталей в значній мірі залежить від точності і вони суттєво зростають з підвищенням вимог до точності виробів. Оскільки точність обробки у виробничих умовах залежить від багатьох факторів, обробку зазвичай проводять не з досяжною, а з економічною точністю.

Під досяжною точністюрозуміють таку точність, яку можливо досягнути при обробці в особливих, найбільш сприятливих і незвичайних для даного виробництва умовах, висококваліфікованими виконавцями, не зважаючи на затрати часу і собівартість обробки.

Економічна точністьдосягається при мінімальній собівартості, в нормальних виробничих умовах, які передбачають роботу на справних верстатах з використанням необхідного оснащення і інструментів при нормальній затраті часу і нормальній кваліфікації виконавців.

У масовому і крупносерійному виробництві при виготовленні взаємозамінних деталей необхідна точність забезпечується відповідним налагодженням верстатів. В малосерійному і одиничному виробництвах висока точність досягається за допомогою допоміжних викінчувальних операцій і за рахунок використання виконавців високої кваліфікації.

3.2 Класифікація поверхонь деталей, параметри їх якості і методи досягнення

Без чіткого уявлення про поверхні деталі, яка підлягає обробці, параметрах якості, які визначають її призначення, шляхи і методи вирішення задач технологічного проектування, неможливо грамотно і обґрунтовано спроектувати ТП виготовлення деталі.

Класифікація поверхонь деталей за призначеннямдає можливість обґрунтовано задати вимоги до точності, шорсткості, твердості, зносостійкості та іншим параметрам якості. За призначенням поверхні деталей розділяють на:

- виконавчіповерхні (вони можуть між собою сполучатись, або не сполучатись) - це поверхні або їх сполучення за допомогою яких деталь виконує своє службове призначення (шийка валу, поверхні зубів, кромки ножів, бігові доріжки підшипників тощо);

- вільніповерхні – вони не контактують з поверхнями других деталей під час роботи, але вони пов’язують виконавчі поверхні деталі для придання їй форми, яка відповідає службовому призначенню деталі.

До виконавчих поверхонь завжди висовуються високі вимоги до якості, досягнення яких вимагає найбільш складного і довгого маршруту обробки. До вільних поверхонь особливих вимог зазвичай не висувається, вимоги до точності їх взаємного розташування також невисокі.

Класифікація поверхонь за формоюдозволяє технологу обґрунтувати метод її обробки. Згідно з цією класифікацією поверхні поділяють на типові і нормалізовані. Типовими поверхнями являються плоскі, поверхні обертання, гвинтові, зубчасті, нелінійні поверхні. Форма поверхні визначає вид утворюючої і закон її переміщення у просторі.

До нормалізованих відносяться поверхні, утворені сполученнями типових поверхонь – канавок, пазів, шліців, виточок тощо. Кожному класу поверхонь властивий набір методів обробки.

Параметри поверхонь:

1) - форма: циліндрична, конічна, сферична, зубчаста, плоска, фасонна, різьбова;

2) – розмір: діаметр, довжина, ширина, товщина, глибина;…

3) – точність: квалітети розмірів (19 квалітетів по ISO), допуски форми і розташування;

4) – параметри шорсткості: R_z, R_a, S, t;…

5) – фізико-механічні властивості: твердість, зносостійкість, залишкові напруження

6) – вид термічної чи хіміко-термічної обробки, вид покриття (Cr, Zn, Cd, N, Si і т.д.), вид наплавленого матеріалу тощо.

У загальному виді ТП виготовлення деталі повинен забезпечити вирішення трьох груп задач:

1) – забезпечити необхідну якість обробки поверхонь;

2) – забезпечити необхідну точність їх розмірів;

3) - забезпечити необхідну точність їх взаємного розташування і форми, а також їх точність відносно тих поверхонь, що залишаються необробленими.

При цьому задачею обробки являється досягнення технологічними засобами числових значень параметрів якості і їхніх зв’язків у межах відхилень, які допускає службове призначення деталі.

Параметри якості – це розмір, відхилення розміру, шорсткість, твердість, не співвісність, дисбаланс, ексцентриситет тощо. Зв’язки між поверхнями здійснюються через їх лінійні і кутові розміри. Набір різнойменних параметрів, які характеризують поверхню і є комплект параметрів якості. Наприклад, для шийки вала – це діаметр, відхилення його розміру, овальність, конусність, биття, шорсткість і твердість його поверхні.

Основною ознакою, яка об’єднує параметри якості в комплекти – це їх одночасне досягнення за рахунок певних технологічних дій. Не можливо по черзі вирішувати задачі забезпечення точності, потім шорсткості, потім погрішності форми тощо. Усі ці параметри досягаються використанням певних методів обробки (у тому числі і забезпечення заданої твердості).

Власне вимоги до точності і якості поверхонь деталей і визначають сам ТП їхньої обробки. Досвід роботи машинобудівних підприємств показав доцільність розділення ТП виготовлення деталей на стадії:

- чорнову обробку;

- чистову обробку;

- завершальну обробку або оздоблення.

Для оцінки відхилення розмірів, форми і розташування поверхонь використовують наступні поняття:

Реальна поверхня– поверхня, яка обмежує деталь і відділяє її від навколишнього середовища;

Номінальна поверхня– ідеальна поверхня, номінальна форма і розміри якої задані кресленням або іншою технічною документацією. Її розміри визначаються конструктивними розрахунками, розрахунками на міцність, жорсткість. Від цих розмірів визначаютьсядійснівідхиленнярозмірів.

Розмір – числове значення лінійної чи кутової величини у вибраних одиницях вимірювання.

Дійсний розмір– розмір, який установлено вимірюванням з допустимою погрішністю.

Номінальний - розмір, заданий кресленням. Відносно нього визначаються відхилення розміру. Зі збільшенням точності вимірювання дійсний розмір наближається до істинного розміру.

Відхилення розміру– алгебраїчна різність між розміром і його номінальним значенням.

Верхнє і нижнє граничні відхилення- алгебраїчна різність між відповідно найбільшим або найменшим граничним розміром і номінальним.

Допуск (Т)– абсолютна величина алгебраїчної різності між верхнім і нижнім граничними відхиленнями, вони бувають симетричними і несиметричними, плюсовими і мінусовими.

Зазор - різність розмірів отвору і вала, коли розмір отвору більший розміру вала.

Натяг- така ж різність, але розмір отвору менший, ніж розмір вала.

Посадка- характер з’єднання деталей, що визначається величинами зазорів чи натягів.

Посадки з зазоромпередбачають зазор у з’єднанні, посадкиз натягом– коли розмір отвору менший розміру вала (поле допуску отвору розташовано нижче поля допуску вала).Перехідні посадки– посадки при яких можливе отримання як зазорів, так і натягів у з’єднаннях.

Відхилення форми– відхилення реальної поверхні (або профілю) від номінальної поверхні (профілю) оцінюють по найбільшій відстані від точок реальної поверхні по нормалі до неї.

Величина допуску(поле допуску) характеризує степінь точності виготовлення деталі.

Точність являється однією з найважливіших характеристик деталі і взагалі будь якого виробу. Щоб можна було виконувати обробку деталей з різною точністю до 1973 р. було установлено десять класів точності, вони мали власні назви і порядкові номери, перший клас являвся самим точним. Далі, у зв’язку зі зростанням вимог до точності, перейшли на міжнародну систему допусків і посадок ISA, з’явилосьпоняття квалітет допуску розміру.

Квалітет– сукупність допусків, що відповідають однаковій точності для всіх номінальних розмірів. Квалітет характеризується числом одиниць допуску, він відображає точність технологічного процесу виготовлення виробу.

Одиниця допуску– множник у формулі допусків системи, залежить від розміру D і для розмірів до 500 мм розраховується за формулою:

(1)

Для розмірів більших 500 мм

, мкм (2)

де , мм - середнє геометричне крайніх розмірівіінтервалу, в який входить розмір, що розглядається.

Одиниця допуску являється мірою точності, оскільки допуск Т_д(Tolerance) отримують множенням одиниці допуску на їх число:

(3)

де а–число одиниць допускуявляє собою ряд геометричної прогресії зі знаменником (R5) =. Таким чином число одиниць допуску a =^N-1, де N – номер квалітету. Звідси і співвідношення між квалітетом і допуском (числом одиниць допуску):

Загалом можна вказати на наступне застосування квалітетів:

Самі точні квалітети використовують для виготовлення зразкових мір, калібрів, деталей типу ділильних коліс і дисків, еталонів, вимірювальних гвинтів, робочих шийок валів прецизійних механізмів, шкал з оптичним відліком, дзеркальних валиків координатних верстатів тощо.

Квалітети 4 і 5 застосовуються порівняно рідко, в особливо точних з'єднаннях, що вимагають високої однорідності зазору або натягу (приладові підшипники в корпусах і на валах, високоточні зубчасті колеса на валах і оправках у вимірювальних приладах).

Квалітети 6 і 7 застосовуються для відповідальних з'єднань у механізмах, де до посадок пред'являються високі вимоги відносно визначеності зазорів і натягів для забезпечення точності переміщень, плавного ходу, герметичності з'єднання, механічної міцності деталей, що сполучаються, а також для забезпечення точного складання деталей.

Квалітети 8 і 9 застосовуються для посадок при відносно менших вимогах до однорідності зазорів або натягів і для посадок, що забезпечують середню точність складання (посадки із зазором для компенсації погрішностей форми й розташування поверхонь, що сполучаються, опори ковзання середньої точності, посадки з більшими натягами).

Квалітет 10 застосовується в посадках із зазором і в тих же випадках, що й 9, якщо умови експлуатації допускають деяке збільшення коливання зазорів у з'єднаннях.

Квалітети 11, 12 застосовуються в з'єднаннях, де необхідні більші зазори й припустимі їхні значні коливання (грубе складання). Ці квалітети поширені в невідповідальних з'єднаннях машин (кришки, фланці, дистанційні кільця й т.п.).

Таким чином, квалітети 5-12 використовують для деталей, що працюють в сполученнях, а квалітети з 13 по 18 – для вільних поверхонь деталей, які не сполучаються.

Діапазон розмірів 1 – 500 мм розбито на тринадцять інтервалів і для них при заданих значеннях квалітетів в довідниках приведені значення допусків в мікрометрах (мікронах).

Допуск можна легко підрахувати, наприклад, симетричний допуск для D=64, у якого одиниця допуску і = 0,5 (64)^0,33 = 2 мкм, для наступних квалітетів складе:

Але навіть такого різноманіття регламентованих допусків недостатньо для того, щоб задати необхідну точність на кресленнях. Необхідно знати положення поля допуску відносно нульової лінії. Цій задачі слугує поняттяосновневідхилення– це відстань найближчої границі поля допуску до нульової лінії.

Всі розміри в системі допусків на типові з’єднання деталей виробів розділяються на ті що охвачують – розміри, які в результаті обробки збільшуються (отвори) і ті, що охвачуються вимірювальними засобами при вимірюваннях (вали) - розміри яких при обробці зменшуються.

Для діапазону розмірів до 500мм стандартом передбачено 27 варіантів основних відхилень, які означаються латинськими буквами, прописними для отворів, строковими – для валів. Граничні відхилення розмірів регламентовані для отворів і валів і представлені в ГОСТ 25347-82.

Держстандартом передбачені загальні правила нанесення на кресленнях граничних відхилень лінійних і кутових розмірів. Вони вказуються після номінального розміру умовними означеннями полів допусків і посадок відповідно стандартам на допуски і посадки, або числовими величинами. Умовним зображенням завдяки простоті і наочності віддають перевагу, наприклад Н7, Н9, G6, або в системі вала - g6, h6, j_s6, к7.

Характер з’єднання двох вставлених одна в другу деталей визначається посадкою. Посадки можуть бути рухомими і нерухомими, рухомі посадки – це посадки із зазором, нерухомі – посадки з натягом. Тип посадки можна отримати шляхом змінення розмірів валу (його граничних відхилень), або шляхом змінення розмірів отвору.

Якщо граничні розміри отвору для заданого квалітету незмінні, а необхідні посадки досягаються зміною граничних відхилень валу – використовується система отвору, при цім основне відхилення отвору (для Н) приймають рівним нулю. Якщо зберігають граничні відхилення валу для одного квалітету а змінюють граничні відхилення розмірів отвору для забезпечення необхідної посадки - цесистема вала.

Ми розглядали приклад з лінійним розміром 64 мм в якому одиниця допуску і = 2 мкм, а допуск залежить від квалітету. Так, для ІТ6 з числом одиниць допуску а = 10, допуск Т_д= 20 мкм = 0,02 мм. Основні відхиленняв системі отворузменшуються в алфавітному порядку, наприклад:

Ø64G6 або Ø64G6^0,03_0,01, або Ø64^0,03_0,01- основне відхилення (нижнє) відносно нульової лінії 0,01 мм, допуск Т_д= 0,02 мм.

Ø64Н6 або Ø64Н6^0,02 або Ø64^0,02- основне відхилення - нуль, допуск той же.

Ø64Js6 або Ø64Js6± 0,01 або Ø64±0,01 - основне відхилення симетричне.

В системі валуосновні відхилення в алфавітному порядку зростають:

Ø64g6 або Ø64g6^-0,01_-0,03або Ø64^-0,01_-0,03- допуск мінусовий, основне відхилення -0,01 мм.

Ø64h6, або Ø64h6_-0,02або Ø64_-0,02- основне відхилення - нульове.

Ø64js6, або Ø64js6±0,01, або Ø64± 0,01 – симетричні допуск і відхилення.

В ряді випадків необхідно указувати числові величини – це відноситься до розмірів в системі вала, розмірів для підшипників, шпонок тощо, а також для розмірів, які не включені до ряду нормальних лінійних розмірів. Числові величини виражають у виді десятинної дробі і записують до останньої значущої цифри включно, вирівнюючи кількість знаків нулями.

Таким чином, розмір 50Н7 може бути проставленим тільки на діаметрі отвору і означає, що він виконаний по сьомому квалітету для будь якої посадки.

Можна з’єднувати деталі з будь якими полями допусків, що розширює число можливих варіантів. Вибір системи отвору чи вала залежить від умов, що історично склалися в конкретній галузі техніки. Все ж переважне використання набула система отвору (Н), завдяки цьому скорочується асортимент відносно дорогого інструменту для обробки отворів – свердел, зенкерів, розверток, протяжок, мітчиків тощо, тоді як вали обробляються з необхідною точністю на токарних, фрезерних і шліфувальних верстатах без заміни ріжучого інструменту.

На кресленнях складальних одиниць граничні відхилення розмірів в сполученнях (посадку) указують у виді дробі - в чисельнику проставляють відхилення отвору, в знаменнику - відхилення валу, наприклад посадка Ø40Н8/d8, замість умовних означень можуть поставлятися числові величини – Ø 40^+0,05/^-0,03_-0,10. Обидва варіанти означають, що розміри отвору D 40^0,05, вала - d 40^-0,03_-0,10мм.

Відхилення форми і розташування поверхонь

Формадеталі, що обробляється завжди має деякі відхилення від правильної геометричної форми, заданої кресленням. Відхилення форми: відхилення від площини, не прямолінійність, не циліндричність, не круглість. Допустиму величину таких відхилень указують на кресленнях надписами в технічних вимогах, наприклад «овальність шийки d25Н7 не більше 0,02 мм».

Але більш доцільно її показувати умовними знаками на кресленнях. Дані про граничні відхилення форми і розташування поверхонь вказують в рамці де поміщають: а) знак відхилення, б) величину відхилення в мм, в) базу, до якої відноситься відхилення.

Таблиця 3.1. Умовні означення допусків форми і розташування поверхонь на кресленнях

Відхилення розташування поверхонь: непаралельність, не перпендикулярність, не співвісність, биття торцеве чи радіальне, несиметричність, відхилення від пересічення осей. Ці відхилення також вказують в рамці і відносять до всієї довжини поверхні, або указують її значення у виді дробі, наприклад 0,1/100, тобто 0,1 мм на довжині 100 мм.

Допуски розмірів, форм і розташування поверхонь в залежності від квалітетів допусків розмірів і рівнів геометричної точності регламентуються ДСТ 25346. При відсутності на кресленнях вказівок на допустимі відхилення форми і розташування поверхонь, ці відхилення обмежують полем допуску на розмір.

3.5 Якість поверхонь деталей машин після механічної обробки і її значення

Реальна поверхня утворюється в процесі обробки деталі і на відміну від номінальної поверхні, зображеної на кресленні, має нерівності різної форми і висоти. В процесі механічної обробки від дії ріжучого інструменту на поверхні деталі залишаються гребінці і впадини, структура поверхні змінюється - в результаті пластичних деформацій виникають внутрішні напруги, утворюється наклеп, твердість поверхні підвищується. Степінь наклепу металу і глибина проникнень пластичних деформацій залежать від методу обробки і режиму різання. При підвищенні подачі і глибини різання товщина наклепаного шару збільшується, при підвищенні швидкості різання - зменшується.

По геометричним признакам відрізняють наступні відхилення форми оброблених поверхонь:

Макрогеометрія– розглядається на великих дільницях реальної поверхні і характеризує точність виготовлення деталі, а точніше – відхиленнями реальної поверхні від правильної геометричної форми (овальність, конусність, бочкоподібність) в межах габаритних розмірів цієї поверхні. Основна причина їх виникнення - неточності обробки.

Хвилястість– наявність на поверхні періодично повторюваних і приблизно однакових хвилеподібних відхилень. Вона виникає при обробці внаслідок вібрації технологічної системи верстат – пристрій – інструмент – деталь, нерівномірності процесу різання, биття інструменту, нерівномірного його зношування або неправильної заточки чи правки. Характерна для поверхонь значних розмірів при обробці струганням, фрезеруванням, точінням, шліфуванням.

Мікрогеометрія (мікронерівності) поверхні або її шорсткість обумовлена наявністю невеличких гребінців і впадин. Величина мікронерівностей характеризує чистоту обробленої поверхні, яка може бути хвилястою і в той же час грубою, чи гладенькою, так же як і рівна поверхня може бути шорсткою або чистою. Мікрогеометрія оцінюється на невеличких ділянках реальної поверхні з довжиною сторони квадрату від 10 мкм до 1 мм.

Відхилення форми поверхонь умовно відрізняють в залежності від відношення шагу S до висоти Н нерівностей: при S:Н ≥ 1000 - відхилення форми, при S:Н = 50÷1000 - хвилястість поверхні, а при S:Н < 50 - шорсткість поверхні.

Основні фактори, від яких залежить якість обробки поверхонь - це:

а) рід і властивості матеріалу, що обробляється;

б) спосіб обробки (точіння, фрезерування, шліфування );

в) режим різання (швидкість, подача, глибина );

г) жорсткість системи верстат – пристрій – інструмент – деталь;

д) геометричні параметри інструменту і його матеріал.

Параметри і умови роботи сучасних машин висувають високі вимоги до якості поверхонь, що сполучаються. Сюди відносяться:

а) швидкохідність машин;

б) високі питомі навантаження при постійній тенденції зменшення ваги;

в) високий тиск і температура;

г) вимоги до довговічності і надійності роботи машини;

д) висока точність роботи окремих механізмів і всієї машини.

Якість поверхонь здійснює значний вплив на експлуатаційні властивості деталей.

Так, зносостійкістьдеталей, окрім інших факторів, в значній мірі залежить від якості їх поверхонь. На зношування поверхонь впливають макронерівності, хвилястість і мікронерівності. При макронерівностях і хвилястості зношування поверхонь нерівномірне. При мікронерівностях у першу чергу деформуються і зношуються гребінці. Шар мастила утримується на поверхні до тих пір, поки питомий тиск не перевершить певного значення. Оскільки поверхні тертя контактують в окремих виступаючих точках, то змазка в цих точках видавлюється і виникає сухе тертя.

Залежність зношування від часу роботи при терті описується законом Антона: спочатку за досить короткий період часу приробки протікає процес стирання виступаючих нерівностей, тобто протікає початковий період зношування - приробка поверхонь. Потім зношування протікає повільно, і цей час визначає період служби сполучення. Подовженість періодів приробки поверхонь і строку служби різняться в залежності від матеріалу пари тертя, умов його експлуатації, але однозначно залежать від якості обробки поверхонь. Величина початкового зношування поверхонь за короткий час приробки зазвичай значно більша зношування за увесь строк служби сполучення. Отже при значній шорсткості зазори в сполученні швидко збільшуються і до кінця приробки можуть досягати граничних для роботи вузла значень, внаслідок чого подальший строк служби значно скорочується. Підвищення якості поверхонь тертя подовжує надійність і строк служби машин.

Якість нерухомих сполучень.Для отримання міцного нерухомого сполучення двох деталей необхідно, щоб шорсткість їхніх поверхонь була як можна меншою. При запресовуванні гребінці зминаються і розміри сполучаємих поверхонь змінюються - отвір збільшується, а вал - зменшується. Натяг у сполученні отримують інший, ніж сподівались, оскільки для розрахунків приймали розміри, поміряні по вершинам гребінців. При чистих поверхнях деталей, коли висота гребінців мала, надійність і якість нерухомих посадок збільшується. При повторних запресовуваннях гребінці згладжуються, натяг зменшується і сполучення стає слабшим.

Міцність деталей. Якість поверхонь в значній мірі впливає на контактну жорсткість, вібростійкість і особливо на міцність деталей, працюючих при змінних навантаженнях. Концентрація напружень, які визивають руйнацію деталі, виникає внаслідок нерівностей поверхонь деталі.

Висока чистота поверхні, яку отримують внаслідок чистової обробки, значно підвищує міцність проти стомлення, так як чим менші мікронерівності, тим менша можливість виникнення тріщин від стомлення металу.

Опір корозії . Корозія поверхонь металів визивається дією газів, рідин, атмосферним впливом. Чим більша шорсткість поверхонь, тим більша їх площа, тим більша сорбція речовин, які визивають корозію ( згадаємо капілярну конденсацію ). Ці речовини осаджуються в поглибленнях і впадинах, корозія поглиблюється в глибину металу, виникають нові зародки корозії і руйнування. Антикорозійна стійкість металів значно зростає з підвищенням чистоти їх поверхонь.

+Експлуатаційні характеристики. Вимоги високої чистоти визначаються інколи особливими умовами роботи деталей в машинах (лопатки турбін, коліс насосів) або приладів і вимірювальних інструментів, особливими вимогами до щільності і герметичності сполучень, міцності зчеплення різних покриттів при декоративнім оздобленні поверхонь деталей тощо. Так, при надмірній шорсткості поверхонь валів, плунжерів, штоків і т.д. швидко виходять з ладу ущільнення, що з ними контактують.