Окт 30, 2020
 
Сейнов С.В. – президент-научный руководитель НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», д.т.н, профессор, академик РАПК,
Гошко А.И. – главный эксперт НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС», к.т.н., доцент,
Сейнов Ю.С. – генеральный директор НПО «ГАКС-АРМСЕРВИС»
 
1. Метрология уплотнительных поверхностей и взаимного положения при контактном взаимодействии
 
Для анализа возможности использования деталей в изделии и получения при этом проектного эксплуатационного эффекта после выполнения совокупности технологических операций формообразования осуществляется проверка качества проведенного технологического процесса. Эта проверка проводится на основе измерений или контроля выходных параметров технологического процесса. Ими являются [1-3]:
а) геометрические параметры с совокупностью макро и микрогеометрических отклонений детали и её поверхностей;
б) физико-механические свойства материала детали и ее поверхностных слоев.
 
При анализе геометрических параметров деталей различают номинальные (идеальные, не имеющие отклонений формы и размеров) поверхности, форма которых задана чертежом, и реальные (действительные) поверхности, ограничивающие тело детали и отделяющие его от окружающей среды. У деталей реальные поверхности образуются в результате обработки или видоизменения при эксплуатации машин. Используя этот принцип характеристической оценки геометрических параметров, следует различать номинальный и реальный профиль, номинальное и реальное расположение поверхности (или профиля). Номинальное расположение поверхностей определяется номинальными линейными или угловыми размерами между ними и базами или между рассматриваемыми поверхностями, если базы не даны. Реальное расположение поверхности (или профиля) определяется действительными линейными или угловыми размерами. База - поверхность или выполняющее ту же функцию сочетание поверхностей, ось, точка, принадлежащая заготовке или детали и используемая для базирования. Профиль поверхности - линия пересечения (или контур сечения) поверхности с плоскостью или заданной поверхностью. Реальные поверхности и профили отличаются от номинальных.
Вследствие многочисленных технологических, конструктивных, силовых и других факторов образуются отклонения действительной формы от номинальной. Это приводит к тому, что размеры в различных сечениях детали отличаются друг от друга (рис. 1).
 
 
Рис. 1. Геометрические параметры детали с совокупностью макро- и микрогеометрических отклонений ее поверхностей.
 
Размеры в поперечном сечении могут быть определены переменным радиусом R, отсчитываемым от геометрического центра О номинального сечения. Этот радиус называют текущим размером, т.е. таким, величина которого меняется в зависимости от положения осевой координаты x (т.е. от положения сечения Б-Б) и от угловой координаты φ точки, лежащей на измеряемой поверхности (φ1 угловая координата радиуса R1). Отклонение текущего размера R (при выбранном значении x) от номинального (постоянного) размера R0.
ΔR = R - R0 = ƒ​(φ)
где ƒ​(φ) - функция, изображающая погрешность профиля.
 
Контур поперечного сечения удовлетворяет условию замкнутости, и, следовательно,
ƒ​(φ+2π) = ƒ​(φ)
(φ- полярный угол), т.е. период функции равен 2π.
 
Для анализа отклонений профиля контур сечения действительной поверхности можно характеризовать совокупностью гармонических составляющих отклонений профиля, определяемых спектрами фазовых углов и амплитуд, т.е. совокупностью отклонений с различными частотами. Для аналитического изображения действительного профиля (контура сечения) поверхности используют разложение функции погрешностей ƒ​(φ) в ряд Фурье. Использование этого математического аппарата имеет следующую цель.
 
Обеспечить проведение анализа геометрии детали с хаотично расположенной на ней совокупности геометрических отклонений, на основе их упорядочения и систематизации на базе амплитуды отклонений (А) и шага отклонений (S), который взаимосвязан с размером поверхности через номер гармонической составляющей (N) спектра неровностей (рис. 2). При таком упорядочении нулевой член разложения спектра неровностей (n0) есть постоянная составляющая отклонения текущего размера, то-есть отклонения собственно размера (А0) как линейного, так и углового. Первый член спектра неровностей выражает несовпадение центра вращениия (О`) с геометрическим центром сечения (О), эксцентриситет (e=А1), то-есть отклонение расположения поверхности.
 
Рис. 2. Упорядоченная совокупность геометрических отклонений детали в «одном» сечении (упорядоченный профиль детали)
 
Члены спектра, начиная со второго (n2) и до (nk) образуют совокупность отклонений формы детали в поперечном сечении (рис. 1). При этом второй член (n2) выражает овальность (А2), третий (n3) - огранку с трехвершинным профилем и т.д. Последующие члены спектра неровностей, имеющие номера (nki - nkj) выражают волнистость, а номера (nkj - nmi) соответствуют шероховатости поверхности.
 
Проведенные исследования спектра неровностей уплотнительных поверхностей трубопроводной арматуры [1, 2] позволили несколько уточнить границы каждой группы отклонений. Используя при обработке измерительной информации ряды Фурье и ограничивая ряд значением С=105, что вполне достаточно для практических целей, целесообразно выделить в этом спектре четыре диапазона. Первый (I.С) включает ряд отклонений с “С2” - эллипс по “С15” - пятнадцативершинная огранка, и характеризует группу отклонений формы. Второй (II.C) диапазон начинается с “С16” до “С100” - характеризует низкочастотную волнистость. Третий (III.C) диапазон начинается с “С100” до “С1000” - представляет высокочастотную волнистость. Последний диапазон (IV.C) свыше “С1001” характеризует шероховатость. Развитие методологии инженерии поверхностей в рамках технологии машиностроения безусловно приведет к уточнению границ групп спектра неровностей.
 
Отклонения геометрических параметров можно классифицировать более укрупненно: отклонения собственного размера (ΔD на рис. 1) относят к отклонениям нулевого порядка (Δ0); отклонения расположения поверхностей (e) - к отклонениям 1-го порядка (Δ1); отклонения формы поверхности (ΔФ) - к отклонениям второго порядка (Δ2); отклонения, имеющие характер волнистости, - к отклонениям 3-го порядка (Δ3); шероховатость поверхности - к отклонениям 4-го порядка (Δ4).
В основу количественной оценки отклонений формы и расположения поверхностей положен принцип прилегающих прямых, поверхностей и профилей (ГОСТ 10356).
 
Прилегающая прямая - эта прямая, соприкасающаяся с реальным профилем и расположенная вне материала детали так, чтобы отклонение от нее наиболее удаленной точки реального профиля в пределах нормируемого участка имело минимальное значение (рис. 3а).
Прилегающая окружность - это окружность минимального диаметра, описанная вокруг реального профиля наружной поверхности вращения (рис. 3б), или максимального диаметра, вписанная в реальный профиль внутренней поверхности вращения (рис. 3в).
 
 
Рис. 3. Прилегающая прямая (а) и окружности радиусом r описанная (для вала) (б) и вписанная (для отверстия) (в)
 
Прилегающая плоскость - это плоскость, соприкасающаяся с реальной поверхностью и расположенная вне материала детали так, чтобы отклонение от нее наиболее удаленной точки реальной поверхности в пределах нормируемого участка имело минимальное значение.
Прилегающий цилиндр - это цилиндр минимального диаметра, описанный вокруг реальной наружной поверхности, или максимального диаметра, вписанный в реальную внутреннюю поверхность.
С определенной степенью погрешности, но достаточной для практического понимания можно считать, что прилегающие поверхности и профили соответствуют условиям сопряжения деталей при посадках с нулевым зазором. При измерении прилегающими поверхностями служат рабочие поверхности контрольных плит, интерференционных стекол, лекальных и поверочных линеек, калибров, контрольных оправок и т.п. Количественно отклонение формы оценивается наибольшим расстоянием Δ от точек реальной поверхности (профиля) по нормали к последней.
 
Отклонение от круглости 1 - наибольшее расстояние Δ от точек реального профиля до прилегающей окружности (рис. 4а). Допуск круглости Т(Ф) - наибольшее допустимое значение отклонения от круглости. Поле допуска круглости - область на плоскости, перпендикулярной оси поверхности вращения или проходящей через центр сферы, ограниченная двумя концентричными окружностями, отстоящими друг от друга на расстоянии, равном допуску круглости Т(Ф).
 
Частными видами отклонений от круглости являются овальность и огранка.
Овальность - отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой овалообразную фигуру, наибольший и наименьший диаметры которой находятся во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 4б).
 
 
Рис. 4. Отклонения формы цилиндрических поверхностей в поперечных сечениях: а) реальный профиль и прилегающая описанная (для вала) окружность;
б) овальность; в) огранка трехвершинная
 
1 Приняты следующие буквенные обозначения: ΔФ - отклонения формы; Δ e - отклонение расположения поверхностей; Т(Ф) - допуск формы; Т(e) - допуск расположения; L - длина нормируемого участка. Термины «некруглость», «неплоскостность» и т.п. не рекомендуются.
 
Огранка - отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой многогранную фигуру. Огранка с нечетным числом граней характеризуется равенством размера d (рис. 4в). Овальность детали возникает, например, вследствие биения шпинделя токарного или шлифовального станков, дисбаланса детали и других причин. Появление огранки объясняется изменением положения мгновенного центра вращения детали, например при бесцентровом шлифовании.
Количественно овальность и огранка оцениваются так же, как отклонение от круглости. В ранее разработанной технической документации овальность оценивали как разность между наибольшим и наименьшим диаметрами поперечного сечения, т.е. овальность - удвоенное значение отклонения от круглости.
 
Отклонение от цилиндричности, определяемое наибольшим расстоянием Δ от точек реальной поверхности до прилегающего цилиндра, показано на рис. 5а, а на рис. 5б - поле допуска цилиндричности, определяемое пространством, ограниченным двумя соосными цилиндрами, отстоящими друг от друга на расстоянии, равном допуску цилиндричности Т(Ф).1
 
Отклонение профиля продольного сечения цилиндрической поверхности показано на рис. 5в. Оно определяется наибольшим расстоянием Δ от точек образующих реальной поверхности, лежащих в плоскости, проходящей через ее ось, до соответствующей стороны прилегающего профиля в пределах нормируемого участка. На этом же рисунке показано поле допуска Т такого отклонения. Отклонение профиля продольного сечения (ΔФ) характеризует отклонения от прямолинейности и паралллельности образующих. Частными видами отклонения профиля продольного сечения являются конусообразность, бочкообразность и седлообразность.
 
Конусообразность - отклонение профиля продольного сечения, при котором образующие прямолинейны, но не параллельны (рис. 5г).
 
 
Рис. 5. Отклонения от цилиндричности (а, б) и отклонения от профиля продольного сечения цилиндра (в, г, д, е, ж)
 
1 - Назначать допуск цилиндричности рекомендовать нельзя, так как пока не разработан и не создан государственный эталон цилиндричности.
 
Бочкообразность - отклонение профиля продольного сечения, при котором образующие непрямолинейны и диаметры увеличиваются от краев к середине сечения (рис. 5д).
 
Седлообразность - отклонение профиля продольного сечения, при котором образующие непрямолинейны и диаметры уменьшаются от краев к середине сечения (рис. 5е).
 
Количественно конусообразность, бочкообразность и седлообразность оцениваются так же, как и отклонение профиля продольного сечения. В ранее разработанной технической документации конусообразность, бочкообразность и седлообразность оценивали как разность между наибольшим и наименьшим диаметрами продольного сечения, т.е. удвоенным значением отклонения профиля продольного сечения.
 
Бочкообразность чаще всего возникает при обтачивании тонких длинных валов в центрах без люнетов (в средней части под влиянием составляющих силы резания возникают большие упругие прогибы, чем по краям). Толстые короткие валы чаще получаются седлообразными из-за большого смещения вала по краям (составляющие силы резания распределяются между обоими центрами более равномерно).
 
Бочкообразность и седлообразность могут возникнуть также вследствие погрешности направляющих станин станков и других причин. Для получения требуемой формы деталей целесообразно отделочные операции производить после окончательной термической обработки. Причиной конусообразности являются износ резца, несовпадение геометрических осей шпинделя и пиноли задней бабки станка (смещение центров), отклонение от параллельности оси центров направляющим станины.
Отклонение ΔФ от прямолинейности оси (или линии) в пространстве и поле допуска прямолинейности оси Т(Ф) показаны на рис. 5ж. Этот термин заменяет термин «изогнутость оси».
 
Отклонение от плоскостности определяется как наибольшее расстояние Δ от точек реальной поверхности до прилегающей плоскости в пределах нормируемого участка (рис. 6а). Поле допуска плоскостности - область в пространстве, ограниченная двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на расстоянии, равном допуску плоскостности Т(Ф) (рис. 6б). Частными видами отклонений от плоскостности являются выпуклость (рис. 6в) и вогнутость (рис. 6г). На рис. 6д показано отклонение от прямолинейности в плоскости, определяемое наибольшим расстоянием Δ от точек реального профиля до прилегающей прямой. Поле допуска прямолинейности в плоскости показано на этом же рисунке.
 
 
Рис. 6. Отклонение формы плоских поверхностей: а) характер оценки; б) форма нормирования; в) выпуклость; г) вогнутость; д) профиль сечения плоскости
 
Отклонение формы заданного профиля (поверхности). В тех случаях, когда профиль (поверхность) задан номинальными размерами [координатами отдельных точек профиля (поверхности) без предельных отклонений этих размеров], отклонение формы заданного профиля (поверхности) - есть наибольшее отклонение Δ точек реального профиля (поверхности) от номинального профиля (поверхности), определяемое по нормали к номинальному профилю (поверхности) (рис.7а). Допуск формы Т(Ф) можно определить в диаметральном выражении как удвоенное наибольшее допустимое значение отклонения формы заданного профиля (поверхности) или в радиусном выражении как наибольшее допустимое значение отклонения формы заданного профиля (поверхности). Поле допуска формы заданного профиля - это область на заданной плоскости сечения поверхности, ограниченная двумя линиями, эквидистантными номинальному профилю и отстоящими друг от друга на расстоянии, равном допуску формы заданного профиля в диаметральном выражении Т(Ф) или удвоенному допуску формы в радиусном выражении Т(Ф)/2. Линии, ограничивающие поле допуска, являются огибающими семейства окружностей, диаметр которых равен допуску формы заданного профиля в диаметральном выражении Т(Ф), а центры находятся на номинальном профиле (рис. 7б).
 
Рис. 7. Отклонение формы заданного профиля: а) характер оценки; б) форма нормирования