Допуски в машиностроении

Допуски в машиностроении

ДОПУСКИ в машиностроении, максимальные колебания в линейных размерах готовых частей, при которых все же обеспечена правильная работа взаимно соприкасающихся деталей. Т. к. абсолютная точность при изготовлении машинных частей недостижима, то устанавливают два предельных размера, между которыми могут, без ущерба для функционирования данной детали, колебаться ее размеры. Разность между максимальным и минимальным предельными размерами и называется допуском. Работа по допускам становится необходимой в тех случаях, когда в массовом производстве готовые детали должны собираться без помощи ручной пригонки, когда, по соображениям производства или ремонта готовых изделий, необходимо достижение взаимозаменяемости частей, а также и при производстве одиночным порядком, когда необходима особая точность.

Соотношение между соответственными размерами двух взаимно соприкасающихся деталей (например, диаметров втулки и вала) называется пригонкой. Смотря по тому, должны ли эти детали иметь в готовом механизме движения одна относительно другой или нет, различают два основных рода пригонок - подвижную и покоящуюся. Частным случаем пригонки является посадка, которая характеризуется различными значениями игры (зазора или натяга). На фиг. 1 изображено отверстие с двумя валиками: левый в соединении с отверстием образует подвижную, правый - покоящуюся посадку (допуска обозначены на фиг. черным).

Отверстие с двумя валиками

Игрой мы называем разность между соответственными размерами двух взаимно соприкасающихся деталей; игра м. б. положительной, если между частями остается зазор, и отрицательной, если имеется натяг и части м. б. сдвинуты лишь при помощи некоторого усилия. Наличие зазора характеризует подвижные посадки, отсутствие его или наличие натяга указывает на покоящуюся посадку. На фиг. 1 отверстие имеет предельные размеры О1 и О2, допуск его равен д0; предельные размеры левого валика – А1 и Б1, a д1 - его допуск. Отверстие с левым валиком образует подвижную посадку, причем величина зазора может колебаться между максимальным з' и минимальным з" зазором. То же отверстие с правым валиком, имеющим предельные размеры А2 и Б2, с допуском равным д2, образует покоящуюся посадку с натягом, величина которого лежит между двумя предельными значениями н' и н". Род посадки зависит не только от величины зазора или натяга, но также и от обработки взаимно соприкасающихся поверхностей.

При подвижных посадках, чем грубее обработка, т. е. чем больше шероховатость трущихся поверхностей, тем больше д. б. зазор для получения одинаковой посадки по сравнению с более тщательной обработкой. При неподвижных, в частности прессовых и горячих, посадках величина натяга, необходимая для достижения требуемой прочности соединения, зависит, кроме того, от материала втулки и валика, длины их, толщины стенок втулки и способа соединения (прессованием или натягиванием в горячем состоянии).

Кривая, выражающая зависимость между стоимостью обработки детали и величиной допуска

Принятая величина допуска очень сильно влияет на стоимость обработки. Кривая, выражающая зависимость между стоимостью обработки детали и величиной допуска (фиг. 2), имеет характер гиперболы; начиная с некоторой величины допуска, зависящей в значительной мере от качества станков и опытности персонала, стоимость обработки начинает чрезвычайно быстро возрастать при дальнейшем уменьшении допуска. Поэтому стремятся работать при наибольших размерах допусков, совместимых с требуемым качеством продукции.

Абсолютная величина допуска, как и игры, зависит от размеров соприкасающихся деталей, требуемой степени точности пригонки, рода посадки и способа обработки. Ряд допусков, расположенных по указанным факторам, называется системой допусков, или системой посадок. Стремление работать с максимальными значениями допусков привело к созданию нескольких параллельных систем допусков, отличающихся между собой качеством обработки и степенью точности получаемых посадок. Помимо указанного выше, абсолютная величина допуска зависит также и от величины зазора. При больших зазорах без вреда м. б. допущены более значительные допуска, чем при меньших; наименьшие значения допусков имеют при покоящихся и прессовых посадках. Натяги имеют весьма незначительную величину, т. к. в противном случае напряжения становятся слишком значительными; понятно, что допуска также д. б. чрезвычайно малыми, чтобы, с одной стороны, не вызвать чрезмерного увеличения напряжений при запрессовывании, а с другой - обеспечить минимальный натяг, необходимый для неподвижности соединения. Поэтому, при наличии в данной системе допусков многих различных степеней точности, высшая содержит обычно лишь неподвижные или тугие посадки, а наиболее грубые пригонки - только подвижные посадки. Для достижения взаимозаменяемости частей не только одного завода, но и всех однородных предприятий страны, что особенно важно для нормализованных деталей, а также в целях удешевления производства калибров, весьма желательной является стандартизация системы допусков в общегосударственном масштабе. Работы по установлению стандартных допусков проведены или ведутся во всех промышленных государствах мира (в СССР - Комиссией по выработке нормальных допусков при Комитете эталонов и стандартов Главной палаты мер и весов). Весьма тщательно вопрос этот был разработан в Германии Комиссией при Нормализационном комитете германской промышленности; выработанная им система DIN легла в основу стандартных систем допусков некоторых европейских стран, в том числе и СССР.

Различные посадки одного диаметра и степени точности м. б. получены тремя способами (фиг. 3):

Различные посадки одного диаметра и степени точности м. б. получены тремя способами

1) оставляя отверстие неизменной величины, изменяют диаметр валов, достигая этим требуемой величины зазора или натяга, - система постоянного отверстия (ПО), 2) оставляя постоянным диаметр вала, варьируют диаметры отверстий - система постоянного вала (ПВ) и, наконец, 3) меняя диаметры того и другого, достигают требуемой посадки, комбинируя различным образом валы и отверстия, - смешанная система (С). В системе ПО с помощью 1 отверстия и n валов осуществляют n посадок, при ПВ те же n посадок получаем, применяя n различных отверстий; в системе С, имея k валов и m отверстий, можем получить m·k различных посадок; принимая m+k = n+1, при 1<k<n имеем m·k>n, т. е. при равном количестве элементов при системе С м. б. получено большее число посадок, чем при ПО или ПВ. Однако, это преимущество только кажущееся, т. к. из всего числа m·k посадок м. б. произвольно назначены лишь m+k–1 посадок, остальные же получаются сами собой и, т. о., нашему контролю не подлежат, т. е. в конечном счете, мы получаем те же n посадок (m+k–1 = n), что и при чистых системах ПО и ПВ.

Система С применяется лишь в Англии и Голландии. Расположение допусков, зазоров и натягов относительно номинального размера (т. е. расчетного размера, проставленного на конструкционном чертеже) м. б. различным: номинальный размер N (фиг. 4) может лежать в поле допуска вала (А) или отверстия, находиться в поле зазора (Б) или натяга, служить одним из предельных размеров вала (В) или отверстия.

Расположение допусков, зазоров и натягов относительно номинального размера

Последний способ имеет то преимущество перед остальными, что при нем взаимозаменяемость частей обеспечена даже между валами и втулками различных пригонок (т. е. различных степеней точности); точность посадки при этом, конечно, страдает, но характер посадки остается. Это преимущество настолько важно, что страны, принявшие вначале другие системы расположения допусков, постепенно переходят к этой системе. Линию номинального размера называют нулевой линией. Обычно нулевая линия служит верхним предельным размером для вала в системе ПВ и нижним предельным размером для отверстия в системе ПО.

Абсолютная величина допусков, зазоров и натягов, при одинаковых посадке и степени точности, зависит от размера соприкасающихся частей. Первые системы допусков были чисто эмпирическими, затем было обнаружено, что допуска для плотных и подвижных посадок м. б. выражены в форме

Dopuska 5

где D - допуск, а и n - постоянные, a L - линейный номинальный размер соприкасающихся деталей (диаметр, ширина салазок и т. д.). В большинстве систем показатель n=3; лишь Англия остановилась на n=2. Величина зазоров обычно следует тому же закону, хотя многие страны (в том числе и СССР) для зазоров пользуются меньшими значениями n. Натяги в прессовых посадках следуют обычно закону

Натяги в прессовых посадках следуют обычно закону

где S - величина натяга, а' - постоянная, a L - линейный размер. Табл. 1 содержит сводку принятых и предложенных в разных странах систем допусков.

Системы допусков

В качестве примера рассмотрим вкратце систему DIN. Для всех посадок, кроме горячей, величины допуска и игры выражаются в единицах допуска (ЕД);

Dopuska 8

линейные размеры (обычно диаметры) разделены по группам, причем абсолютная величина ЕД в пределах каждой группы остается постоянной и вычисляется по формуле:

Dopuska 9

где L1 и L2 - предельные диаметры данной группы.

Точные величины ЕД приведены ниже:

Dopuska 10

Наиболее употребительный 2-й класс точности имеет в общем 11 различных посадок; ниже приведены их обозначения, характер получающейся пригонки и предельные значения игры δ в мм ( + δ - зазор, — δ - натяг).

А. Прессовые пригонки: 1) горячая посадка - неподвижность соединения обеспечена, втулка надевается в горячем состоянии на вал:

Горячая посадка

2) прессовая посадка - неподвижность соединения обеспечена, вал вжимается во втулку в холодном состоянии:

Прессовая посадка

Б. Покоящиеся пригонки: 3) особо тугая посадка - соединение частей м. б. произведено лишь при помощи пресса, необходимо предохранение частей от взаимного проворачивания:

Особо тугая посадка

4) тугая посадка - соединение частей производится сильными ударами ручника или легкой прессовкой, необходимо предохранение от проворачивания:

Тугая посадка

5) особо плотная посадка - соединение частей ударами ручника, необходимо предохранение частей, как от проворачивания, так и от продольного смещения:

Особо плотная посадка

6) плотная посадка - соединение от руки или при помощи деревянного молотка, последняя покоящаяся посадка:

Плотная посадка

В. Нулевая пригонка: 7) скользящая посадка - части могут при смазке передвигаться вручную, рабочее движение медленное и лишь в аксиальном направлении:

Скользящая посадка

Г. Подвижные пригонки: 8) свободная посадка плотного хода - первая подвижная посадка, для медленно вращающихся или передвигающихся аксиально частей с минимальным зазором:

Свободная посадка плотного хода

9) свободная посадка, для вращающихся частей без заметного зазора

Свободная посадка

10) свободная посадка легкого хода, для быстро вращающихся частей с заметным зазором или для частей, вращающихся в нескольких подшипниках:

Свободная посадка легкого хода

11) весьма свободная посадка, для весьма быстро вращающихся деталей с особо значительным зазором:

Весьма свободная посадка

Вся система DIN изображена схематически на фиг. 5; отклонения от номинальных размеров для валов и отверстий даны в ЕД для всех четырех классов точности, в системах ПО и ПВ.

Система DIN

Весьма важным вопросом для каждого рода производства является выбор основной системы допусков (ПО или ПВ), класса или классов точности и необходимых посадок. Дать какие-либо жесткие правила для выбора наилучшей системы допусков невозможно в виду необычайно большого числа факторов, влияющих на него. Ниже приведено влияние некоторых отдельных факторов на выбор системы допусков. В системе ПО все посадки получаются изменением диаметра вала, и, следовательно, применение гладких валов, при наличии на валу нескольких разных посадок одного номинального диаметра, невозможно. Этим условием определяются сразу две отрасли промышленности, для которых выгоднее пользоваться системой ПВ, - постройка трансмиссий и сельскохозяйственное машиностроение; вообще всюду, где пользуются в значительном объеме гладкими валами в виде необработанного тянутого или обточенного материала, приходится переходить к системе ПВ. В тех случаях, когда вал, при наличии на нем нескольких различных посадок, по конструктивным соображениям делают ступенчатым (например, для удобства разборки), можно пользоваться безразлично обеими системами. Здесь, однако, оказывается выгоднее система ПО, т. к. она часто позволяет при нескольких различных посадках обходиться меньшим количеством уступов и, т. о., экономить на материале и обработке. На фиг. 6 приведены два одинаковых перебора токарного станка - в случае ПО число уступов получилось меньшим, чем при ПВ.

Переборы токарного станка

Во всех случаях крупного массового производства система ПВ предпочтительнее ПО, т. к. в этом случае неудобство первой - дороговизна первоначального обзаведения специальным рабочим и измерительным инструментом - отступает на задний план по сравнению с выгодой, получаемой при обработке гладких (без уступов) валов. По обратной причине система ПО выгоднее при производстве небольшими сериями, с сильно меняющимися размерами частей. Стоимость содержания рабочего и измерительного инструмента в обеих системах почти одинакова. Для сборки и ремонте система ПО большей частью бывает более выгодной, т. к. получающиеся при этом ступенчатые валы значительно облегчают работу. Очень часто бывает невозможно даже в пределах одного производства провести чистую систему ПО или ПВ и приходится прибегать к комбинациям из обеих. Примером может служить принятая в германском станкостроении система допусков, изображенная на схеме (фиг. 7).

Система допусков в германском станкостроении

1-й класс точности применяется в особо точных станках для покоящихся посадок, для корпусов шарикоподшипников, инструмента револьверных станков и во всех тех случаях, когда требуется посадка скольжения, которая поэтому во 2-м классе точности исключена; для всех остальных пригонок употребляется 2-й класс точности, из которого исключены посадки: прессовая, особо тугая, скольжения и весьма свободная. Для того чтобы в потолочных приводах и некоторых вспомогательных деталях воспользоваться преимуществами системы ПВ, взяты из нее две вспомогательных посадки 2-го класса - свободная и свободная легкого хода; 3-й и 4-й классы точности исключены совсем.

Одной из важных областей применения работы по допускам является производство нормализованных частей. Здесь могут представиться два случая: 1) нормализованная часть должна образовывать с другой деталью всегда одинаковую посадку и 2) эта посадка может меняться. В обоих случаях зазор или натяг перекладывают неизменно в нормализованную часть, т. е. изготовляют валы по допуску системы ПО, а отверстия по допуску - системы ПВ для требуемой посадки. При таком способе потребителю для правильной посадки достаточно изготовить основной вал данного диаметра системы ПВ или основное отверстие системы ПО, а это легко для заводов, работающих по любой из систем, т. к. допуска основного элемента одной системы (ПО или ПВ) равны допускам посадки скольжения другой (отверстие посадки скольжения системы ПВ или вал той же посадки системы ПО).

Весьма важным и чрезвычайно сложным вопросом является нормализация допусков винтовых нарезок. В винтовых нарезках дело осложняется большим количеством подлежащих толерированию размеров (наружный, средний, внутренний диаметры, шаг винта, угол нарезки, форма сечения нарезки) и необходимостью проверять величины всех отдельных допусков порознь предельными калибрами. Формы щек калибров для измерения изображены на фиг. 8; для измерения предельных диаметров по выступам нарезки употребляют предельные скобы или пробки с плоскими или цилиндрическими рабочими поверхностями А, предельные диаметры по дну нарезок измеряются скобами с роликами или штифтами по Б, ту же форму имеет нарезка предельных винтовых пробок; форма В применяется для проверки среднего диаметра, а форма Г - для проверки формы нарезки и правильности шага.

Формы щек калибров для измерения

Пробки по Б и В делают с 2—3 нарезками, чтобы неправильности в ходе не влияли на их показания. В качестве примера тщательно разработанной системы винтовых допусков рассмотрим систему допусков, принятых в США (National Screw Thread Commission) для нормальной и мелкой стандартной резьбы (U. S. S.). Форма нарезки с полями допусков изображена на фиг. 9.

Форма нарезки с полями допусков

Принято 6 разных посадок: 1) свободная - с большими допусками и зазорами для грубого машиностроения, болтов с катаной нарезкой и т. п.; 2) средняя обыкновенная - для нормальных чисто обработанных винтов и гаек для нужд машиностроения средней степени точности, гайка и болт во всяком случае м. б. навинчиваемы от руки; 3) средняя специальная - с меньшими полями допусков, чем предыдущая, для точного машиностроения (станкостроение, автостроение, авиационные двигатели и т. п.); 4) плотная - взаимозаменяемость обеспечена, но зазор может совсем отсутствовать и заменяться в редких случаях натягом; 5) тугая - завертывание гаек возможно лишь с помощью ключа, для легкого точного машиностроения, и 6) весьма тугая - с большими против предыдущей натягами, для крупных болтов. Допуска нормализованы лишь для первых четырех посадок, т. к. в двух последних на посадку, кроме величины допусков и натягов, влияют также весьма сильно длина гаек, материал болта и гайки, сильно меняющиеся от одного производства к другому.

Абсолютные значения допусков находятся в зависимости от величины хода р (фиг. 9). Применяется несколько единиц допусков, находящихся в следующей зависимости от р (в мм):

Dopuska 27

Значения отдельных элементов для разных посадок даны в табл. 2. Форма нарезки д. б. такова, чтобы контур как гайки, так и болта не выходил из полей допуска, заштрихованных на фиг. 9.

Значения отдельных элементов для разных посадок

Отдельные элементы винтовой нарезки имеют следующие значения (D, Δ и d - наружный, средний и внутренний диаметры нарезки; р - шаг; h - глубина нарезки, h = 0,649519р; f - высота срезанной части вершины треугольника нарезки, f = 1/6h = 0,108253р; величины без значков относятся к теоретическому профилю нарезки, со значками (') - к гайке, и (") - к болту; теоретический профиль изображен жирной линией):

Dopuska 29

Допускаемые ошибки (угловые допуска) для 1/2 угла при вершине треугольника нарезки (60°) равны для первых трех посадок:

Dopuska 30

Для плотной посадки угловые допуски уменьшаются вдвое.

Помимо описанных выше допусков непосредственно соприкасающихся друг с другом деталей, приходится иногда решать вопрос о величине допусков для линейных размеров частей, соединяемых несколькими промежуточными звеньями, например, допуска расстояний между отверстиями двух фланцев, соединяемых болтами. В этом случае взаимозаменяемость м. б. достигнута только при условии, что ни одна из осей отверстий не отклоняется от ее номинального местоположения больше, чем на 1/2 величины минимального зазора между наименьшим отверстием фланца и максимальным возможным диаметром болта, т. е. λ≤1/2δ (фиг. 10); если при этом необходим еще некоторый минимальный зазор γ между стенками отверстий и валиком, то λ≤1/2(δ-γ).

Dopuska 31

Это правило является основой расчета допусков расстояний между осевыми отверстиями. При этом следует принимать во внимание возможное накопление ошибок при измерении от одного отверстия до другого (по шагу); в этом случае для n отверстий величина допуска должна быть уменьшена в 1/(n-1) раз. Отсюда ясна выгода измерения всех расстояний от одного какого-нибудь отверстия, взятого за основное, т. к. в этом случае величина допуска остается без изменения.

В качестве примера абсолютной величины допусков, достижимых обработкой на различных станках, приведем данные фирмы Пратт и Уитней для станков, находящихся в хорошем состоянии, и рабочих нормальной квалификации (данные не являются показателем максимальной достижимой точности, а относятся к нормальной производственной работе; все размеры и величины допусков в мм).

а) Обточка на токарном станке ±0,13 для диаметров 6—13; ±0,18 для диаметров 13—25; ±0,25 для диаметров 25—50 и ±0,38 для больших диаметров. Шлихтовка на токарном станке соответственно: ±0,05; ±0,08; ±0,13 и ±0,18.

б) Автоматический токарный станок: ±0,08 для обточки державками коробочного типа; ±0,08 для обточки фасонными резцами шириной до 20; ±0,1 то же, но шириной 20—40; рассверливание ±0,15 для диаметров 4—12; ±0,2 для диаметров 12—20; ±0,25 для диаметров 20—25; сверление ±0,05 для диаметров 0,35—3,0, увеличиваясь до ±0,18 для диаметров 20—25; шабрение развертками ±0,025 для диаметров ≤12 и ±0,04 для диаметров 12—25.

в) Фрезерование: возможная точность ±0,05, лучше давать большие допуска -^-±0,08—0,12 для достижения большей экономичности обработки. Для фасонного фрезерования и обработки составными фрезерами не менее ±0,12. Для фрезеровки канавок ~±0,1 на 25 мм ширины канавок.

г) Сверление: ±0,05 для дыр диаметром 0,35—3,0; ±0,08 для диаметров 3,0—6,0; ±0,1 для диаметров 6—12; ±0,13 для диаметров 12—18; ±0,18 для диаметров 18—25; ±0,25 для диаметров 25—50.

д) Шлифовка цилиндрических поверхностей: ±0,01; на вертикально-шлифовальном станке для плоскостей 0,05—0,03.

е) Строгание: 0,13—0,25 для крупных частей, например, станин станков,

ж) Ручное шабрение отверстий разверткой: ±0,01 для диаметров до 25, для больших диаметров ±0,015; для машинного шабрения необходимо повысить эти числа до ±0,013 для отверстий диаметром до 12, ±0,02—0,025 для отверстий диаметром 12—25, ±0,05 для отверстий диаметром более 25.

Способы разметки допусков на чертежах меняются в зависимости от принятой системы обозначения посадок. Во всех стандартных системах допусков введены сокращенные обозначения для посадок, которые обязательно отмечаются на соответственных предельных калибрах (в СССР в виде проекта принята следующая маркировка: свободные пригонки имеют букву С, тугие Т, цифра с правой стороны буквы указывает на удаление данной посадки от посадки скольжения, обозначаемой ТО, перед знаком посадки ставят знак системы О для ПО и В для ПВ с цифрой, характеризующей класс точности; таким образом, О2С1 обозначает свободную посадку 2-го класса точности системы ПО; немецкие обозначения для валов и отверстий приведены на фиг. 5). В этом случае обозначение допусков на чертежах значительно облегчается, т. к. достаточно рядом с номинальным размером поставить значок требуемой посадки, чтобы определить тем самым предельные размеры соприкасающихся частей. В тех случаях, когда применяются допуска, отличные от стандартных (что особенно часто встречается при толерировании продольных размеров), приходится рядом с цифрой размера указывать оба крайних значения допуска. В большинстве европейских стран пишут номинальный размер, а рядом с ним оба крайних значения допуска (фиг. 11, А); при этом часто, если одно из значений предельных размеров совпадает с номинальным, то отметка 0,0 не ставится (фиг. 11, Б).

Система нанесения допусков на чертежи

В США Обществом автомобильных инженеров предложена следующая система нанесения допусков на чертежи: в размерную стрелку ставят идеальный размер, а допуск при этом делается всегда в направлении, наименее вредящем желательной (идеальной) посадке (фиг. 11, В); если направление допуска безразлично, то делят его величину пополам и откладывают в обе стороны от идеального размера (фиг. 11, Г).

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.