Основные виды взаимозаменяемости

Взаимозаменяемость изделий — сложное свойство. Существует несколько классификационных признаков видов взаимозаменяемости, основные из которых представлены на рис. 1.1. Ниже приводится краткая характеристика видов взаимозаменяемости.

Геометрическая взаимозаменяемость (как неотъемлемая часть функциональной взаимозаменяемости) определяет качество изделий машиностроения, поскольку эти детали (в отличие от ряда оптических, радиоэлектронных и других деталей) оцениваются по критерию «возможность обеспечения взаимозаменяемости в процессе сборки».

Неточно изготовленные детали могут не обеспечить монтаж друг с другом или сломаться при попытке собрать их «силой», поэтому для механических деталей и узлов в первую очередь рассматривается такой аспект, как геометрическая взаимозаменяемость. Геометрическая взаимозаменяемость выделяется особо еще и потому, что в машинои приборостроении именно формообразование деталей является преимущественным видом работ.

Рис. 1.1. Классификационные признаки и виды взаимозаменяемости.

При изготовлении деталей геометрические параметры изделий всегда получают с ограниченной точностью. Абсолютная точность недостижима на практике, да и необходимость в ней отсутствует (см. главу 2 пособия). Как правило, нормально работают детали, изготовленные в некотором диапазоне геометрических параметров. Чем жестче допуск, тем выше стоимость изготовления детали, поэтому требования к точности должны быть близки к оптимальным: деталь при умеренной стоимости должна обеспечивать нормальное функционирование изделия.

Чтобы обеспечить возможность назначения норм разных относительных уровней точности, разрабатывают системы допусков. Для обеспечения взаимозаменяемости различных изделий по геометрическим параметрам необходимо использование соответствующих систем допусков, а также систем допусков и посадок (на гладкие, резьбовые, шлицевые и иные поверхности).

Размерно-технологическая взаимозаменяемость — свойство изделий по обеспечению монтажных требований за счет точности размеров, формы, взаимного расположения сопрягаемых поверхностей. Способность к обеспечению размерно-технологической взаимозаменяемости определяется технологичностью. Под технологичностью детали понимают такую конструкцию детали, которая удовлетворяет не только эксплуатационные требования к ней в узле или машине, но и обеспечивает изготовление детали с минимальными затратами ручного, машинного и иного труда. Технологичность конструкции детали отрабатывается на этапе ее проектирования по параметрам точности размеров, удобства расположения поверхностей, возможности обработки их без дополнительных приспособлений, эффективного использования материала, качественным показателям и т. д.

Внешняя и внутренняя взаимозаменяемость различаются по признаку «отношение к объекту». Внешняя взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость готовых изделий и агрегатов, устанавливаемых в другие более сложные машины (по основным и присоединительным размерам, выходным эксплуатационным характеристикам и параметрам и т. п.). Внутренняя взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость деталей и механизмов, входящих в узел или изделие. Например, в подшипнике качения внутренней групповой взаимозаменяемостью обладают кольца и тела качения (ролики, шарики).

Учитывая, что в современных машинах используются узлы и детали, изготовленные заводами многих отраслей промышленности, то проблема взаимозаменяемости является межотраслевой, затрагивающей интересы всех отраслей промышленности. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости на практике необходимо выполнение ряда требований, основные из которых приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Требования к обеспечению взаимозаменяемости.

Нормативные документы, регламентирующие требования к взаимозаменяемости, должны учитывать и увязывать потребности всех отраслей промышленности. Такими документами в настоящее время являются межгосударственные и национальные стандарты. В стандартах, определяющих типы, основные параметры и размеры машин, устанавливаются требования внешней взаимозаменяемости. Так, в нормативных документах, определяющих технические требования на изделия (станки, бульдозеры, экскаваторы, автомобили, тракторы и т. д.), регламентируются основные и присоединительные размеры и допуски на них, а также выходные параметры, которые могут влиять на эксплуатационные качества технических устройств, с которыми данные машины будут сочленяться.

Однако этого недостаточно для обеспечения качества изделия, поскольку межгосударственные и национальные стандарты, во-первых, существуют не на все машины и, во-вторых, регламентируют главным образом требования внешней взаимозаменяемости. Как известно, в самом узле (изделии), например в двигателе, имеются десятки и сотни различных деталей (болты и гайки, валы и шестерни, подшипники и вкладыши и т. п.), которые также должны быть взаимозаменяемы. Значительная часть их является деталями общего машиностроения. Поэтому для обеспечения взаимозаменяемости многочисленных узлов и деталей широкого применения создаются специальные стандарты — так называемые стандарты узкого применения (ранее существовали отраслевые стандарты). Эти документы предназначены для регламентации общих норм взаимозаменяемости, а также норм на соединения с гладкими цилиндрическими и с плоскими параллельными плоскостями; на резьбовые, зубчатые и шпоночные соединения, углы и конические соединения; на отклонения формы и расположения поверхностей; на шероховатость поверхностей. Данные стандарты базируются на международной взаимозаменяемости, унификации и стандартизации машин, приборов, узлов, деталей и технологической оснастки для единообразного оформления технической документации, а также являются необходимой основой для расширения специализации и кооперирования производства продукции общемашиностроительного производства.

Полная и неполная взаимозаменяемость различаются по признаку «степень охвата деталей». Полная взаимозаменяемость предполагает, что требуемые эксплуатационные свойства, в частности точность, сохраняются у всех деталей и любая деталь из партии может быть поставлена на соответствующее место в машине без подгонки. В процессе такой сборки автоматически обеспечивается требуемая точность сопряжении и получение эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Полную взаимозаменяемость экономически целесообразно применять:

• • для деталей, изготовленных с допусками квалитетов не выше шестого;
• • для сборочных единиц, состоящих из небольшого числа деталей;
• • когда несоблюдение заданных зазоров или натягов недопустимо даже у части деталей.

В остальных случаях применяют неполную взаимозаменяемость.

Неполная (ограниченная, частичная) взаимозаменяемость предполагает сортировку изготавливаемых деталей по размерам на ряд групп до сборки, а затем при сборке машин используют не любые детали данного номера и наименования, а только определенной группы. В пределах каждой группы размеры деталей имеют минимальные неточности. Таким образом, неполная взаимозаменяемость — это взаимозаменяемость, обеспечиваемая селективной выборкой экземпляров. Проводятся и другие мероприятия, обеспечивающие взаимозаменяемость: применение компенсаторов, регулирование взаимного положения в сборе, пригонка.

Коэффициент взаимозаменяемости. Уровень взаимозаменяемости производства обычно характеризуется коэффициентом взаимозаменяемости К_в, равным отношению трудоемкости изготовления и сборки взаимозаменяемых деталей узлов, конструкций или их частей Q_B к общей трудоемкости изготовления сборочной единицы Q_s:

Коэффициент взаимозаменяемости К_в определяет, какая доля деталей обладает свойствами взаимозаменяемости.

Выполнение установленных требований к точности деталей, узлов, сборных единиц или их элементов является важнейшим и определяющим условием обеспечения взаимозаменяемости. Таким образом, взаимозаменяемыми могут быть детали, сборочные единицы и изделия в целом. В первую очередь такими должны быть детали и сборочные единицы, от которых зависит надежность и другие эксплуатационные свойства изделия. В обязательном порядке это требование распространяется на запасные части изделия.

Свойства собираемости и возможности равноценной замены любого экземпляра взаимозаменяемой и сборочной единицы любым другим сборочным экземпляром позволяет изготовлять детали в одних цехах предприятия, а собирать из них изделия в других цехах этого предприятия или даже на других профильных предприятиях. При полной взаимозаменяемости процесс сборки сводится к соединению деталей преимущественно рабочими невысокой квалификации, поэтому появляется возможность точно нормировать процесс сборки по времени, устанавливать необходимый темп работы, применять поточный метод сборки и создавать условия для автоматизации, специализации и кооперирования производственных процессов.

Любой элемент конструкции будет обладать свойством взаимозаменяемости в том случае, если его геометрические и физико-химические параметры находятся в пределах назначенных допусков (см. главу 2 пособия), согласованных с допусками других элементов конструкции. Эта согласованность должна исключить при изготовлении изделий необходимость подбора или доработки при сборке и ремонте и обеспечить работу собранной конструкции в соответствии с нормативными документами (национальными стандартами или техническими условиями).

Неполная (частичная) взаимозаменяемость применяется в тех случаях, когда невозможна сборка изделия без пригонки или регулировки входящих в него деталей, узлов или сборочных единиц. Такая взаимозаменяемость широко используется в мелкосерийном и серийном производствах. Например, при сборке металлорежущего станка осуществляется пригонка и регулировка суппорта или задней бабки, устанавливаемых на станине. Коэффициент взаимозаменяемости К_в в этом случае ниже, чем при полной взаимозаменяемости.

Таким образом, применение той или иной взаимозаменяемости на производстве обусловлено многими факторами, основными из которых являются: тип производства, вид выпускаемой продукции, степень развитости производственных отношений, культура производства.

В общем случае с повышением коэффициента К_в эксплуатационные характеристики изделия улучшаются, так как создаются условия для быстрой и эффективной замены или восстановления деталей, узлов или сборочных единиц изделия в период проведения ремонтов, технического обслуживания и регламентных работ по системе планово-предупредительного ремонта (ППР). Однако в индивидуальном и мелкосерийном производствах эта связь проявляется слабо в связи с ограниченным количеством выпускаемых изделий. Наибольшее влияние К_в на эксплуатационные свойства оказывает в массовом и крупносерийном производстве. Влияние К_в на эксплуатационные свойства изделий в большой степени зависит от вида изделия: наибольшее — в радиоэлектронной промышленности, несколько меньше — в приборостроении, еще меньше — в машиностроении.

Коэффициент унификации. С коэффициентом взаимозаменяемости К_в тесно связан коэффициент унификации (стандартизации) производства К_у, определяемый как отношение трудоемкости сборки унифицированных (стандартных) деталей Q_CT к трудоемкости сборки оригинальных деталей Q_opr:

Метод урезания свойств. Полная взаимозаменяемость предполагает наличие неполной, или частичной, взаимозаменяемости. Неполную взаимозаменяемость можно получить из полной методом урезания свойств. Например, оптические детали фотоаппаратов изготавливают из специального оптического стекла или из пластмасс. При этом фотоаппараты можно считать полностью взаимозаменяемыми, если речь идет о получении любительских снимков. Для профессиональной же съемки специалисты никогда не пользуются фотоаппаратами с пластмассовой оптикой и автоматической установкой экспозиции, а одинаковые геометрические параметры фотопленки позволяют нам говорить о геометрической взаимозаменяемости механизмов большинства фотоаппаратов, использующих пленку в качестве носителя информации. Или, например, тела качения в одном подшипнике определенного типоразмера обладают полной взаимозаменяемостью, однако они могут оказаться невзаимозаменяемыми с телами качения другого подшипника того же типоразмера. В таком случае говорят о внутренней взаимозаменяемости тел качения в каждом из подшипников и о внешней взаимозаменяемости всех подшипников данного типоразмера, поскольку установка любого из них в проектируемое изделие должна обеспечить нормальное функционирование. Внешняя взаимозаменяемость подшипников определяется одинаковостью присоединительных размеров, точности вращения, нагрузочной способности и других параметров.

Приведенные выше примеры показывают, что наряду с взаимозаменяемостью по физико-механическим свойствам деталей особое внимание необходимо уделять их геометрическим параметрам.

Параметрическая взаимозаменяемость выделяется по признаку «отношение к параметрам изделия». Различают полную и неполную параметрическую взаимозаменяемость.

Полная параметрическая взаимозаменяемость изделий подразумевает их взаимозаменяемость по всем нормируемым параметрам. Нормируемые параметры изделий, обеспечивающие полную параметрическую взаимозаменяемость, представлены на рис. 1.3.

Неполная параметрическая взаимозаменяемость изделий предполагает взаимозаменяемость по отдельным параметрам. Ее применяют, когда при сборке требуется установка детали либо узла только с определенными размерами (размерами определенной группы) — групповая взаимозаменяемость, или необходима дополнительная обработка одного из элементов детали.

Рис. 1.3. Нормируемые параметры изделий, позволяющие обеспечить полную параметрическую взаимозаменяемость.

Эксплуатационная, производственная и ремонтная взаимозаменяемость. Эксплуатационная взаимозаменяемость характеризует точность изготовления частей любого изделия, что обеспечивает их качественную работу при эксплуатации. При этом сборка и ремонт могут сопровождаться выполнением подгоночных работ.

Производственная взаимозаменяемость находит применение в том случае, если конструкция и точность рассматриваемых частей изделия (летательного аппарата, двигателя автомобиля, цилиндрического редуктора и др.) обеспечивают возможность сборки с другими частями без подбора и подгонки по месту.

Ремонтная взаимозаменяемость характеризуется возможностью замены изношенных частей новыми, причем без подгонки их по месту.

Следует отметить, что для производства наиболее важную роль играет эксплуатационная взаимозаменяемость. Для обеспечения полной взаимозаменяемости должны присутствуют все три вида взаимозаменяемости, однако на практике стремятся обеспечить, как правило, первые два вида взаимозаменяемости.