Повышение точности измерений в машиностроении на основе введения новых комплексных показателей действительных размеров деталей

Точность деталей любой машины или прибора в значительной мере определяет уровень качества выпускаемых изделий, их надежность, долговечность и непосредственно влияет на конкурентоспособность технической продукции. Повышение точности продукции машиностроения является важнейшей народнохозяйственной проблемой, от решения которой зависят темпы научно-технического прогресса страны.

Точность деталей и изделий в целом формируется, обеспечивается, измеряется, проявляется и поддерживается на всех стадиях жизненного цикла изделия: проектирование — подготовка производства — производство — контроль — эксплуатация. Это делает проблему точности чрезвычайно емкой, привлекающей для своего решения исполнителей и исследователей широкого круга специальностей как для разработки высококачественных проектов изделий, так и для создания эффективной технологической среды по обеспечению высококачественного производства, включающего достоверный контроль качества продукции. Для решения проблемы точности все участники процесса создания продукции должны руководствоваться едиными научными принципами обеспечения точности и единым пониманием показателей размерной и геометрической точности деталей. Поскольку результаты работы каждого исследователя и исполнителя по обеспечению точности устанавливаются измерениями, то тема диссертации, посвященная созданию методологии достоверных измерений в машиностроении на основе комплексных показателей размерной и геометрической точности деталей, является актуальной.

С 1987 г. работа выполняется в Омском государственном техническом университете по плану фундаментальных исследований Государственного комитета Российской Федерации по делам науки и высшего образования на тему: «Разработка новых принципов и методов для метрологического обеспечения автоматизированных производств в прецизионном машиностроении», а завершающая часть работы с 1995 по 1998 г. г. выполнена в докторантуре кафедры «Измерительные информационные системы и технологии» Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Целью работы является повышение качества машиностроительной продукции за счет увеличения достоверности измерений и реализации единой концепции обеспечения точности деталей на стадиях проектирования, изготовления и контроля изделий.

Поставленная цель может быть достигнута при широком внедрении результатов исследований в практику нормирования точности и ее контроля. Выполнение теоретических исследований проводилось на стыке технологии машиностроения и метрологии с использованием теории базирования, функциональной взаимозаменяемости, размерных цепей, геометрического моделирования, точности машин и механизмов, точности измерений, опираясь на теоретическую механику, начертательную геометрию, аналитическую геометрию и теорию вероятностей.

Все результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными исследованиями в условиях действующих производств.

Научная новизна работы состоит в:

— классификации размеров деталей по служебному назначению;

— выявлении баз отсчета размеров элементов деталей и координирующих размеров;

— выделении геометрического элемента как элементарной структурной части детали;

— учете информативности элементов, координатных плоскостей и осей координат, материализованных комплектами баз детали;

— обосновании принципа двумерности размеров элементов деталей;

— раскрытии структуры размеров элементов в зависимости от их служебного назначения;

— разработке содержания понятий «размер элемента» и «координирующий размер»;

— разработке методологии достоверных измерений размеров деталей.

Практическую значимость работы составляют:

— методика построения адекватных геометрических моделей деталей, дающих полное представление о служебном назначении и первичных погрешностях всех геометрических элементов деталей;

— концепция обеспечения точности деталей на всех стадиях жизненного цикла продукции на единых научных принципах;

— методика нормирования размерной и геометрической точности деталей для создания высококачественных проектов продукции и технологических процессов;

— правила разработки достоверных методик выполнения измерений размеров и схем измерения высокоточных измерительных приборов.

Основные положения, выдвигаемые на защиту.

1. Размеры рабочих геометрических элементов деталей, участвующих в сопряжении или выполняющих служебное назначение исполнительных поверхностей, представляют собой двумерные комплексные величины, имеющие два действительных граничных значения — размер максимума и размер минимума материала элемента.

2. Системой отсчета размеров элемента детали является система координат комплекта элементов, в составе которого рассматриваемый элемент выполняет свое служебное назначение.

3. Два действительных граничных размера элемента — это размеры двух правильных элементов, номинально расположенных относительно системы отсчета и охватывающих с касанием поверхность реального элемента: один — вне материала элемента (имеет размер максимума материала), второй — из материала элемента (определяет размер минимума материала).

4. В структуру комплексных размеров элемента входят размер прилегающего элемента, отклонения формы поверхности элемента и отклонения положения рассматриваемого элемента относительно других элементов комплекта. Число и вид отклонений положения определяют степени свободы рассматриваемого элемента, не израсходованные на образование системы отсчета комплекта.

5. Показателем размерной точности элемента детали является отклонение размера максимума материала элемента от предела максимума материала, геометрическую точность элемента характеризует разность размеров максимума и минимума элемента, комплексным показателем размерной и геометрической точности элемента является отклонение размера минимума материала от предела максимума.

6. Системой отсчета координирующих размеров детали является обобщенная система координат, принадлежащая детали в целом и материализованная комплектом основных (или вспомогательных) конструкторских баз детали.

7. Координирующими размерами детали являются одномерные линейные и угловые координаты вспомогательной системы координат, материализованной комплектом элементов, выполняющих в детали единое служебное назначение, относительно обобщенной системы координат детали. Вид и количество координирующих размеров, задающих положение рассматриваемого элемента, определяется его информативностью, т. е. числом и видом степеней свободы, которые потрачены базой элемента на образование вспомогательной системы координат комплекта.

8. Координатные плоскости и оси обобщенной и вспомогательных систем координат детали имеют различную информативность, обуславливающую количество и вид отсчитываемых от каждой из них координирующих размеров и углов.

9. Комплексное содержание имеют линейные координирующие размеры в случае номинальной параллельности осей вспомогательной и обобщенной систем координат детали. При этом в структуру линейных размеров входят угловые перекосы осей, которые увеличивают число действительных значений размеров по каждой координате до информативности координируемой координатной плоскости вспомогательной системы.

Реализация работы осуществлена в виде методических указаний для конструкторов, технологов и метрологов промышленных предприятий по метрологическому обеспечению качества конструкторских разработок и технологической документации, по расчету размерных цепей действующих размеров, по метрологической экспертизе конструкторской и технологической документации, по разработке и аттестации методик выполнения измерений, по конструированию приборов контроля геометрических величин, по проектированию схем измерения, по расчету точности измерительных устройств, а также руководящих технических материалов по метрологическому обеспечению конструктивных элементов деталей: цилиндрических, призматических, конических, угловых, отверстий под крепежные детали и соединений с подшипниками качения. Методические указания и руководящие материалы направлены по запросам на десятки предприятий страны и ближнего зарубежья.

Совместно с промышленными предприятиями выполнены 16 научно-исследовательских работ по анализу и повышению точности действующего производства, по разработке и внедрению приборов размерного контроля в процессе и после обработки деталей, 6 способов измерений и измерительных приборов защищены авторскими свидетельствами. Все отчеты о НИР прошли государственную регистрацию и переданы в Центр научно-технической информации для распространения.

Результаты работы использованы в учебном процессе Омского государственного технического университета при постановке дисциплин «Метрологическое обеспечение технической документации» и «Разработка и аттестация методик выполнения измерений», при нормировании и расчете точности в курсовом и дипломном проектировании, а также при повышении квалификации инженерно-технических работников КАМАЗа, ЕЛАЗа, Ирбитского мотоциклетного завода, Павлодарского тракторного завода, многих предприятий г. Омска и других городов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на научных конференциях Омского государственного технического университета и Московского государственного технологического университета «СТАНКИН», на отраслевых, республиканских, всесоюзных и международных семинарах, конференциях, коллоквиумах и конгрессах:

— 4 всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений», г. Москва, 1997 г.;

— 2 международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 1997 г.;

— 3 международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика КТИ-96», г. Москва, 1996 г.;

— международной конференции «Метрологическое обеспечение и взаимозаменяемость в машиностроении», г. Москва, 1996 г.;

— международной конференции «Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности», г. Минск, 1992 г.;

— республиканской конференции «Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин», г. Курган, 1991 г.;

— республиканском семинаре метрологов Украины, г. Киев, 1990 г.;

— всесоюзном семинаре «Метрология в прецизионном машиностроении», г. Саратов, 1990 г.;

— всесоюзной конференции «Проблемы повышения качества, надежности и долговечности машин», г. Брянск, 1990 г.;

— научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения основателя русской метрологии Д. И. Менделеева, г. Омск, 1984 г.;

— 6 международном коллоквиуме по качеству поверхностей, г. Карл-Маркс-Штадт, ГДР, 1984 г.;

— отраслевой конференции по качеству Министерства тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, г. Рубцовск, 1983 г.;

— всесоюзном семинаре «Опыт внедрения прогрессивных методов и средств размерного контроля», г. Ленинград, 1977 г.;

— всесоюзном семинаре «Современные средства контроля качества продукции машиностроения», г. Пенза, 1975 г.

Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенном заседании кафедры «Измерительные информационные системы и технологии» с участием членов кафедры «Технология машиностроения» МГТУ «СТАНКИН».

По материалам диссертации опубликовано 76 работ, из них 24 научных статьи, 16 зарегистрированных отчетов по НИР, 6 изобретений, 14 учебных пособий и методических указаний, 6 руководящих технических материалов.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка опубликованных работ и литературы из 191 наименования и изложена на 370 страницах, включая 11 таблиц, 258 рисунков и 10 страниц приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1.В работе доказано, что введением в практику измерений действительных размеров деталей новых комплексных показателей, установленных на основе закономерностей и связей между отклонениями размеров, формы и относительного положения с учетом служебного назначения и информативности элементов деталей, с применением разработанного метода двумерных измерений, решена важнейшая народохозяйственная проблема повышения точности измерений в машиностроении за счет снижения в несколько раз методических погрешностей.

2.Высокая методическая точность измерений размеров элемента детали достигается при использовании в качестве измерительных баз комплекта конструкторских баз, в составе которых измеряемый элемент выполняет свое служебное назначение. При измерении координирующих размеров измерительными базами является комплект конструкторских баз, материализующих обобщенную систему координат детали.

3.При измерении действительных размеров элемента детали определяются два граничных комплексных значения: размер максимума и размер минимума материала элемента — по размерам двух правильных элементов, номинально расположенных относительно баз и охватывающих с касанием поверхность реального элемента вне материала и из материала элемента.

4.При измерении действительных координирующих размеров находится комплекс из трех линейных и трех угловых размеров положения каждой вспомогательной системы координат, материализованной вспомогательными конструкторскими базами комплекта элементов, относительно системы отсчета — обобщенной системы координат детали. Вид и количество координирующих размеров измеряемого элемента детали определяется его информативностью.

5. Основными средствами измерения, с помощью которых реализуется метод двумерных измерений комплексных размеров деталей, являются программируемые координатно-измерительные машины. На рабочих местах измерения комплексных размеров выполняются этим же методом с применением стандартизованных средств технического контроля по новым методикам двумерных измерений.

6.Высокая эффективность комплексных размеров по обеспечению гарантированных посадок деталей позволяет рекомендовать комплексные размеры для стандартизации и применения в конструкторской документации при нормировании размерной точности особенно прецизионных деталей.

7.Комплексные размеры обладают большой гибкостью и многовариантностью при необходимости перехода к дифференцированному нормированию допусков формы, относительного положения и собственных размеров элементов как структурных составляющих допуска комплексного размера, например, при разработке технологической документации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Опыт решения практических задач точности производства показывает, что недостаточная достоверность измерений в машиностроении привела к снижению соотношения между допусками на размеры деталей и погрешностью измерений с 5:1, 3:1 и 2:1 до 1:1, что означает, что точность измерений практически определяет точность деталей. Такое состояние делает проблему повышения точности измерений не только актуальной, но и первоочередной народнохозяйственной проблемой, без решения которой невозможно обеспечить дальнейший технический прогресс.

Необходимость разработки новой методологии измерений вызвана недостаточной достоверностью действующей методологии разовых измерений вследствие скрытых методических погрешностей, неопределенности понятия «размер детали», неадекватности моделей измерения реальным деталям, приписывания элементу детали действительного значения размера по результатам одного измерения в случайной точке поверхности элемента.

Другая действующая методология допусковых измерений, основанная на принципах Тейлора и предельных калибрах, являясь более достоверной, не позволяет определить действительные значения размеров, не лишена методических погрешностей, не учитывает служебного назначения элементов деталей, не распространяется на координирующие размеры деталей.

Решение задачи повышения точности измерений найдено в составе комплексной проблемы точности, формируемой на всех стадиях жизненного цикла детали на основе единых научных принципов обеспечения точности, основными из которых являются: принцип служебного назначения, принцип единства конструкторских, технологических и измерительных баз, принцип взаимозаменяемости деталей и принцип инверсии, регламентирующий тождественность.

333 условий работы деталей в проекте машины, а также условий их изготовления и измерения с условиями эксплуатации в машине.

Повышение точности измерений можно обеспечить более высоким уровнем адекватности геометрических моделей измерения, объективно отражающих практически все первичные погрешности деталей за счет деления деталей на элементарные составные части — геометрические элементы, выполняющие в деталях служебное назначение исполнительных поверхностей и конструкторских базза счет учета информативности элементов, которая определяет количество линейных и угловых координирующих размеров элемента и совпадает с числом и видом движений, которые может лишать элемент в функции конструкторской базыза счет объединения элементов, совместно выполняющих общее служебное назначение, в комплекты с суммарной информативностью, равной шести, для материализации вспомогательных систем координат, одна из которых принимается в качестве обобщенной системы координат детализа счет использования информативности координатных плоскостей и осей пространственных систем координат для назначения кратчайших координирующих размеров элементов.

Основу достоверных измерений составляет содержание понятия «размер»: размеры деталей — это линейные и угловые величины и координаты элементов, имеющих определенную информативность и выполняющих в детали определенное служебное назначение. Все размеры деталей имеют единую двумерную линейно-угловую физическую природу, вытекающую из единства линейных и угловых перемещений материального тела в пространстве.

Размеры деталей делятся по служебному назначению на элементные, определяющие пространственную форму и габариты геометрических элементов, и координирующие, задающие положение элементов относительно баз деталей.

Элементные размеры деталей являются комплексными размерами со сложной структурой, включающей отклонения формы и положения,.

334 которые делают переменным размер каждого элемента детали. Элементные размеры подчиняются принципу двумерности размеров, согласно которому каждый элемент детали имеет два граничных действительных значения — размер максимума материала и размер минимума материала элемента.

Базой отсчета элементных размеров является система координат, материализованная комплектами основных или вспомогательных баз, которыми сопрягаются соединяемые детали, или комплектами исполнительных поверхностей, в которых рассматриваемый элемент выполняет свое служебное назначение.

Два действительных значения элементного размера расширяют точностную информативность размеров, т.к. позволяют оценить размерную, геометрическую и суммарную точность каждого элемента детали в отдельности. Два действительных значения элементного размера имеют разное служебное назначение: размер максимума материала элемента является основным, или действующим размером элемента, т.к. он участвует в сопряжении, выполняя роль звена размерной цепи, определяет характер посадки и размерную точность элемента. Размер минимума материала является комплексным размером элемента, т.к. зависит не только от размерной, но и от геометрической точности элемента, и определяет суммарную точность элемента. Геометрическая точность элемента — это разность двух действительных размеров элемента.

Оба значения действительных размеров элемента в партии деталей подчиняются своим законам распределения, которые смещены относительно друг друга на среднее значение суммарных отклонений положения и формы поверхностей элемента в диаметральном выражении.

Базой отсчета координирующих размеров элементов является обобщенная система координат, материализованная комплектом основных (или вспомогательных) конструкторских баз детали.

Линейные координирующие размеры элемента — это одномерные координаты одной точки — начала координат вспомогательной системы.

335 относительно обобщенной. Угловые координирующие размеры — это одномерные углы между осями обобщенной системы с информативностью 4 и 2 и проекциями осей вспомогательной системы с информативностью 4 и 2 на координатные плоскости обобщенной системы, перпендикулярные осям поворота.

Отклонения от номинальных значений линейных и угловых координирующих размеров между базами элементов внутри системы координат комплекта являются отклонениями положения.

Координирующие размеры, отклонения которых вошли в структуру элементных размеров в качестве отклонений положения, имеют только номинальные значения.

Координирующие размеры внутри групповых элементов являются номинальными позиционными размерами, а их отклонения положения • позиционные отклонения — входят в состав элементных размеров единичных элементов группы.

Принцип двумерности размеров обуславливает более высокий уровень нормирования точности в конструкторских проектах и технологических процессах, обеспечивая им более высокое качество, за счет учета информативности и служебного назначения баз элементов, преодоления неопределенности базирования.

Полем допуска размера нормируемого элемента является область в материале детали между двумя вписанными друг в друга правильными элементами, имеющими размеры, равные предельным значениям размера, и расположенными номинально относительно системы координат, образованной комплектом элементов, одним из которых является нормируемый элемент.

Структура допуска размера элемента зависит от его информативности и включает кроме собственных отклонений размеров и формы поверхностей элемента все отклонения положения, образованные степенями свободы, не израсходованными элементом на материализацию системы координат комплекта.

Базой отсчета отклонений размеров элемента в пределах поля допуска является предел максимума материала, по которому осуществляется выбор посадки и от которого отсчитывается действующая размерная и суммарная точность элемента.

Базой отсчета отклонений координирующих размеров является номинальное значение координаты.

Повышение точности познания действительных размеров деталей может быть получено за счет снижения методических погрешностей с помощью достоверных методик выполнения измерений, реализующих принцип двумерности размеров деталей через методологию двумерных измерений и обеспечивающих измерение двух действительных значений каждого размера элемента детали в соответствии с их определениями, учитывающими служебное назначение элементов.

При аттестации методик выполнения измерений методическая погрешность должна включаться в суммарную погрешность измерения. Основной составляющей методической погрешности является разность между измеряемыми по схеме измерения значениями размеров и соответствующими значениями размеров по их определениям согласно принципу двумерности размеров, из-за неучтенных отклонений формы и положения объекта измерения.

Результаты длительных экспериментальных исследований точности деталей по достоверным методикам выполнения измерений в условиях действующих производств шестеренных насосов, компрессоров, гидромоторов, двигателей автомобилей и мотоциклов, трансмиссий тракторов, карданных шарниров, устройств точной механики и другой техники подтвердили высокую эффективность методологии двумерных измерений — ее применение способствует повышению действительной точности деталей на 1 — 2 квалитета.

Первым шагом к глобальному решению проблемы повышения точности измерений может стать направление разработанного принципа двумерности размеров в качестве официального предложения для.

337 стандартизации как общемировой технической проблемы в Международную организацию по стандартизации ИСО.

Разработка методологии двумерных измерений деталей открывает путь целому ряду перспективных научных исследований по комплексной проблеме двумерной точности машин и приборов, охватывающей все направления решения проблемы — общетехническое, конструкторское, технологическое, метрологическое.

Немаловажное значение для решения проблемы создания высококачественной техники, в том числе по показателям точности, является разработка единой методологии подготовки специалистов различного уровня (рабочих, техников, бакалавров, инженеров, магистров, аспирантов) и разных специальностей, объединяемых жизненным циклом продукции (конструкторских, технологических, метрологических, экономических), на единых научных принципах.