Первышин А.Н. Метрология
Подождите немного. Документ загружается.
Лекция №1
§ 1. Основные понятия метрологии, стандартизации,
взаимозаменяемости и сертификации. Их роль в научных
исследованиях и производстве. Связь проблем взаимозаменяемости
с конструированием, технологией изготовления, метрологией,
эксплуатационными требованиями, экономикой и организацией
производства.
Метрология, стандартизация и сертификация обеспечивают
взаимозаменяемость, лежащую в основе современного производства.
Взаимозаменяемость обеспечивает высокую производительность
всех этапов создания изделия: проектирования, изготовления,
эксплуатации и утилизации при минимальных затратах.
Метрология – наука об измерениях, которая дает возможность
определить технические характеристики, отвечающие за
эксплуатационные свойства как изделия в целом, так и основных его
элементов, что позволяет найти такое сочетание этих характеристик,
обеспечивающих лучшие эксплуатационные показатели изделия.
Наилучшее решение закрепляется стандартами, являющимися
обязательными для всех производителей (стандартизация).
Подтверждение соответствию реальных (действительных)
характеристик изделия, заявленных в технической документации,
обеспечивается сертификацией.
§ 1.1. Основные понятия взаимозаменяемости.
Взаимозаменяемость – свойство деталей, узлов, агрегатов и
технических устройств, позволяющее установить их при сборке или
заменить при ремонте без предварительной подгонки и сохранении
эксплуатационных характеристик изделия.
Взаимозаменяемость обеспечивается системой принципов при
проектировании, изготовлении, ремонте и утилизации изделий,
собранных из независимых элементов.
Различают полную и неполную взаимозаменяемости как
производства, так и изделия.
Полная взаимозаменяемость целесообразна при массовом и
крупносерийном производстве, где все изготовленные сборочные
единицы изделия или детали в целом являются взаимозаменяемыми,
что позволяет сократить затраты на производство единицы продукции,
легко автоматизировать производство, и не требует высокой
квалификации рабочих, но, увеличиваются затраты на подготовку
производства и трудно достичь высокой точности.
1
Уровень взаимозаменяемости производства определяется
коэффициентом взаимозаменяемости:
В
В
Т
К
Т
, (1)
где
В
Т
- трудоемкость изготовления взаимозаменяемых деталей;
Т
- трудоемкость изготовления всех деталей.
Если
1
В
К
, то взаимозаменяемость – полная.
При
1
В
К
, взаимозаменяемость - неполная.
Неполная взаимозаменяемость применяется в производстве с
высокими требованиями к точности и уникальности изделия, в этом
случае лишь часть деталей является взаимозаменяемыми.
При сборке изделия используются следующие методы:
1) селекция;
2) регулирование;
3) пригонка.
Селекция применяется для достижения высокой точности при
недостаточной точности оборудования, например при изготовлении
подшипников, из серии выбирают детали с подходящими размерами.
При селекции разбивают подготовленные для сборки детали на
несколько групп, уменьшая тем самым допуск на изготовление внутри
группы в несколько раз по числу групп. На сборку поступают детали
подходящих групп, обеспечивающие необходимые технические
характеристики изделия, например радиальный зазор подшипника, что
позволяет перенести затраты с производства на измерение (контроль).
Регулирование предполагает сборку с регулированием
положения или размеров одной или нескольких деталей, называемых
компенсаторами.
Пригонка – сборка изделия с доработкой одной или нескольких
сборочных единиц.
Различают также внешнюю и внутреннюю взаимозаменяемости.
Внешняя взаимозаменяемость относится к покупным деталям,
например в электродвигателе внешнюю взаимозаменяемость
обеспечивают по частоте вращения вала, в подшипниках качения – по
внешнему и внутреннему диаметрам.
Внутренняя взаимозаменяемость распространяется на детали и
агрегаты, входящие в изделие.
Различают геометрическую и функциональную
взаимозаменяемости.
В геометрической взаимозаменяемости взаимозаменяемыми
считаются детали, геометрические размеры которых отличаются на
величину, не превышающую допуск.
2
Функциональная взаимозаменяемость рассматривает отличие
не только геометрических, но и других параметров
(электропроводимость, теплопроводность, однородность
механических свойств и т. д.). В этом случае необходимо установить
соответствие между данными функциональными параметрами и
эксплуатационными характеристиками изделия и, исходя из этого,
назначить допуск на эти параметры, и, кроме того, обеспечить
достаточную точность их измерения.
§ 1.2. Основные понятия стандартизации и сертификации.
Термины в области стандартизации и сертификации установлены
в 1928 году международным комитетом по стандартизации (ISO).
Основная цель стандартизации - разработка обязательных норм и
требований, выполнение которых обеспечивает оптимальное качество
продукции при минимальных затратах.
Главной задачей стандартизации является создание достаточно
общей системы нормативной технической документации,
устанавливающей требования к объекту стандартизации.
Стандарт – важнейший нормативный технический документ,
разработанный на базе последних достижений науки и техники и
являющийся целесообразным решением достаточно часто
повторяющейся задачи.
Виды и категории стандартов
По типу объекты стандартизации различают 13 видов
стандартов, которые можно разделить на 3 группы, охватывающие все
этапы жизненного цикла изделия:
1. Стандарты на средства, облегчающие взаимопонимание
(терминология, единицы физических величин,
обозначения).
2. Стандарты на свойства технических объектов (размеры,
качество поверхности, метрологические характеристики и
т.п.). Это наиболее распространенный вид стандарта.
3. Стандарты на методы (технология изготовления,
испытания, измерения деталей, выбор оптимальных
режимов).
По области использования различают 4 категории стандартов.
1) Государственные стандарты (ГОСТы) - наиболее общая
категория Они устанавливают требования к продукции
массового и крупносерийного производства.
К объектам государственной стандартизации относятся:
3
1) Общетехнические и организационно-методические нормы и
правила (ряды нормальных линейных размеров, предпочтительные
числа, допуски и посадки).
2) Общие требования и нормы точности к продукции
межотраслевого применения.
3) Научно-технические термины, определения и обозначения.
4) Государственные эталоны единиц физических величин и
общегосударственные поверочные схемы.
5) Система государственных испытаний средств измерений.
6) Единые системы конструкторской, технологической,
эксплутационной и ремонтной документации.
7) Система классификации и кодирования научно-технической
информации
и т. д.
2) Отраслевые стандарты (ОСТы), которые определяют
требования к продукции специфической для отрасли и
разрабатываются в двух случаях:
на продукцию отрасли не разработаны государственные
стандарты;
требования к продукции отрасли более жесткие, чем
установленные ГОСТом.
3) Стандарты предприятия (СТП). Они устанавливаются
на продукцию, выпускаемую только на этом предприятии.
4) Технические условия (ТУ) относятся к конкретному виду
продукции, обычно разрабатываются изготовителем и
утверждаются заказчиком.
Условные обозначения
ГОСТ Р 6636 – 69
Здесь буква Р – Россия, 6636 – регистрационный номер (Р. Н.),
69 – год регистрации стандарта.
4
СТП
Р. Н.
ГОД
ТУ
I
Р. Н.
II
ГОД
I – класс продукции по общероссийскому классификатору продукции
(ОКП);
II - код предприятия по общероссийскому классификатору по
предприятиям и организациям (ОКПО).
Организацию и руководство разработки стандартов и контроля
за их выполнением осуществляет государственный комитет по
стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт).
Стандарт вводится в действие после публикации в
информационном указателе, который называется «Государственные
стандарты Российской Федерации».
Обычно срок действия стандарта не ограничен, но, если
происходит какое-либо изменение в стандарте или он исключается, то
информация появляется в указателе и только после этого применяется к
исполнению.
Стандарты обязательны для выполнения на предприятиях
любых форм собственности. Для проверки выполнения стандартов,
координации деятельности по метрологическому обеспечению в
регионах и на крупных предприятиях создаются службы Госстандарта.
Наиболее полно все виды стандартов представлены во
всероссийском информационном фонде стандартов и технических
условий (ВИФС).
ОСТ
условное обозначение отрасли Р. Н. ГОД
5
Лекция №2
§ 2. Номинальный, предельный и действительный размеры
деталей.
Ряды предпочтительных чисел. Нормальные линейные размеры.
Размер – числовая характеристика какой-либо линейной или
угловой величины в определенных единицах измерения.
Под номинальным размером понимают полученный расчетом
размер какой-либо детали, округленный до ближайшего числа ряда
предпочтительных чисел или нормальных линейных размеров. Он
служит началом отсчета для всех параметров взаимозаменяемости.
В стандартизации используется несколько рядов
предпочтительных чисел, построенных по принципу геометрической
прогрессии.
Рассмотрим ряд - R5. Показатель соответствующей геометрической
прогрессии равен:
6,110
5
,
а ряд выглядит следующим образом:
1,0; 1,6; 2,5; 4,0….
R5 - самый крупнодисперсный ряд.
Аналогично:
для ряда R10 →
25,110
10
;
для ряда R20 →
12,110
20
;
для ряда R40 →
06,110
40
;
для ряда R80 →
03,110
80
.
Допускается использование выборочных рядов. Например, в ряде
10
3
R
берется каждый 3-ий член из ряда R10.
Применение рядов предпочтительных чисел создает возможности
оптимального сочетания затрат на производство с качеством
продукции, что позволяет сократить номенклатуру обрабатываемого
инструмента, оборудования и приспособления.
Выбор ряда определяется минимизацией совокупности затрат на
производство и эксплуатацию (рис. 1).
6
На основании ряда предпочтительных чисел в диапазоне
размеров от 1 мкм до 20 м разработан ГОСТ Р 6636-69 Основные
нормы взаимозаменяемости. Нормальные линейные размеры.
При обозначении номинальных размеров используются понятия
вала и отверстия. Поверхности, охватывающие в соединении другие
поверхности, относятся к отверстиям.
Если в соединении используется охватываемая поверхность, то
она относится к валам.
У отверстий размеры обозначаются заглавными буквами (D), у валов -
строчными (d).
Номинальные размеры указываются на рабочих чертежах. После
изготовления размер детали отличается от указанного в связи с
различными погрешностями изготовления. Какое бы точное
оборудование не использовалось невозможно достичь нулевой
погрешности.
Размер изготовленной детали измеренной с допустимой
погрешностью называется действительным.
Для решения вопроса годности изготовленной детали,
необходимо знать предельно допустимые размеры:
для отверстия -
max
D
и
min
D
,
для вала -
max
d
и
min
d
.
Из конструкционных соображений конструктор задает
max
D
.
Если действительный размер входит во множество размеров,
границами которых являются
max
D
и
min
D
, то деталь годна, иначе – брак
(рис. 2).
7
При измерении допускается погрешность в 10 раз меньше, чем
размер поля разброса действительных диаметров (
max
D
–
min
D
).
Лекция №3
§ 3. Погрешность и точность изготовления детали.
Закон нормального распределения случайных погрешностей
изготовления.
Под погрешностью изготовления понимается разность между
действительным размером детали и наилучшим, т.е. обеспечивающим
оптимальное функционирование изделия. Обычно наилучший размер
расположен в середине поля допуска:
max min
.
2
D D
D
(3.1)
Точность - степень приближения действительного размера
детали к оптимальному.
8
Пусть изготовлена партия из n деталей по одному и тому же
чертежу. В силу случайных погрешностей размеры деталей в партии
отличаются друг от друга. Если причины появления погрешностей
носят случайный характер, например отклонение температуры
окружающей среды, неоднородность физико-механических свойств
материала заготовки, разброс в режимах обработки в связи с
неточностью их воспроизведения станком, то такие погрешности
называются случайными. Пусть каждая из этих деталей имеет
некоторый диаметр D
i
(
ni ,1
), отягощенный случайной
погрешностью. В большинстве случаев распределение изготовленных
деталей, например по D, отвечает закону нормального распределения
погрешностей или закону Гаусса:
2
2
( )
2
1
( ) ( , ),
2
D
D D
D
dP
D e f D
dD
(3.2)
где
( )D
- плотность вероятности;
n
i
i
D
n
D
1
1
- математическое ожидание,
мм
;
2
1
( )
1
n
i
i
D
D D
n
- среднее квадратичное отклонение,
мм
;
2
D
- дисперсия, параметр, характеризующий величину случайных
погрешностей.
Анализируя формулу (3.2), можно убедиться, что плотность
вероятности достигает максимума при
D D
:
2
1
max
D
; (3.3)
9
(( );( )) ( ) 2 ( ),
D D
D D
D D D D D dD Ф z
(3.4)
где
( )Ф z
- функция Лапласа;
D
D
z
- квантиль Гаусса;
(
)();( DDDD
) - доверительный интервал.
Приведем некоторые распространенные значения функции
Лапласа:
1 2 (1) 0,68
D
z D Ф
;
2 2 2 (2) 0,95;
D
z D Ф
3 3 2 (3) 0,997.
D
z D Ф
Площадь под кривой (вероятность появления значения
измеренной величины) в интервале от -∞ до +∞ всегда равна единице
(рис. 3).
Пусть величина отрезка равна
D
В технологии обычно выбирают такое оборудование, чтобы
вероятность появления действительного размера детали внутри
интервала
)(
maxmin
DD
составляла 0,997. В этом случае:
maxmin
DD
=
D
62
, (3.5)
где
- доверительный интервал.
Для большинства производств выполняется это правило- правило
6σ.
§ 4. Предельные размеры и предельные отклонения детали.
Понятие допуска, его графическое изображение.
Предельные размеры детали (
maxmin
, DD
) определяют границы,
внутри которых должен находится действительный размер годной
детали (
д
D
). Они необходимы при изготовлении детали, но на
чертежах указывается не предельные размеры, а предельные
отклонения этих размеров от номинального размера (
H
D
).
Алгебраическая разность между максимальным и номинальным
размером называется верхним предельным отклонением:
для отверстия
DDES
max
; (4.1)
для вала
ddes
max
. (4.2)
10