Проблемы точности базирования штифтовых соединений

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КА ЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ

УДК 006.91; 623

ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИ БАЗИРОВАНИЯ ШТИФТОВЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

В.В. Пшеничникова

Отмечено, что стандартах указываются номинальные размеры штифтов, поля допусков их основных размеров, материал и шероховатость поверхности. Но соединения штифта с деталями не рассматриваются, тогда как именно в многослойных штифтовых соединениях возникает избыточность базирования, и вследствие чего проблемы при сборке и эксплуатации изделий. Основой при создании новой методологии является построение геометрических моделей реальных деталей и их соединений. Представлены решения проблемы избыточности базирования и точности соединений с помощью геометрических моделей, открываются информативности систем координат. Геометрические модели раскрывают системные взаимосвязи элементов и их первичных погрешностей.

Ключевые слова: штифтовое соединение, база, геометрическая модель, метрологическое обеспечение, точность, метрология.

1. Введение. Основой для анализа точности соединения деталей является построение геометрической модели этого соединения, которое представляет собой графическое изображение всех элементов каждой детали вместе с отклонениями рабочих поверхностей в обобщенной системе координат.

Каждая деталь для выполнения своего служебного назначения должна занимать определенное положение в изделии относительно других деталей. Если комплект основных или вспомогательных баз соединяемых деталей лишает ровно шести степеней свободы, то это позволяет считать такие детали статически определимыми. При сборке статически определимых деталей обеспечивается более высокая точность изделия за счет уменьшения погрешности базирования [1, 2].

Если же число степеней свободы, лишаемых одним комплектом баз, превышает шести, то деталь становится статически неопределимой, следовательно, появляется избыточность базирования. Статически неопределимые детали требуют более высокой точности изготовления, увеличивается количество нормируемых параметров точности деталей, снижаются технические и эксплуатационные характеристики изделий.

350

2. Постановка задачи. Во многих конструкциях встречаются соединения по гладким цилиндрическим поверхностям. К типовым соединениям такого типа относятся штифтовые соединения.

Существует много проблем при сопряжении штифтов с деталями и при их замене. Исследование штифтовых соединений опирается на построении геометрической модели соединения, которая учитывает отклонения размеров, отклонения расположения и отклонения формы [2, 3, 6, 11, 12].

Многослойные штифтовые соединения деталей представляют достаточно сложную задачу, связанную с составлением взаимосвязанных размерных цепей. Каждое штифтовое сопряжение включает в себя две простейших размерных цепи (например, посадка штифта в отверстие корпуса и посадка штифта в отверстие сопрягаемых деталей). Образовавшиеся зазоры (натяги) будут входить как составляющие звенья в размерные цепи, определяющие межосевые размеры штифтового соединения, а также их замыкающие звенья - зазоры (натяги) между образующими штифтов и корпусной детали (крышки).

3. Теория. Рассмотрим пример многослойного штифтового соединения (рис. 1) плоских деталей с помощью двух штифтов. В данном сопряжении штифты предназначены для ориентирования деталей относительно друг друга. При базировании штифта в отверстия корпуса необходимо поставить посадку с натягом (это обычное центрирующее гладкое цилиндрическое сопряжение), тогда как все остальные детали должны сопрягаться со штифтом с зазором, в противном случае сборка будет затруднена. Для этого необходимо разработать геометрические модели всех деталей, участвующих в сопряжении.

Рис. 1. Эскиз многослойного штифтового соединения

Рассматриваемое штифтовое соединение с двумя штифтами является симметричным (для каждого сопряжения «деталь - штифты» отдельно), поэтому начало систем координат основных и вспомогательных баз располагаются в центрах симметрии комплекта двух базовых отверстий в плоскости установочной базы. Общее количество лишаемых степеней свободы каждым комплектом баз составляет 3+2+2=7 (а именно, плоскую базу, лишающую три степени свободы, и два отверстия, каждое из которых

351

лишает деталь по две степени свободы и выполняет роль двойной опорной базы). Таким образом, получается больше шести на одну степень свободы и образуется избыточность базирования [1, 3, 8]. Аналогично рассматриваются все сопряжения изделия.

4. Результаты эксперимента. Обеспечить точность замыкающих звеньев размерных цепей в многослойных штифтовых соединениях бывает достаточно трудно, поэтому зачастую применяют совместную окончательную обработку отверстий под штифты в сборе. При этом нарушается взаимозаменяемость деталей и такой технологический процесс лучше рассматривать для применения в индивидуальном производстве.

Предлагаются некоторые пути исправления избыточности базирования на примере детали с двумя круглыми отверстиями под цилиндрические штифты:

1. Один из штифтов заменить на срезанный для лишения только одной угловой (у) степени (ст) свободы с помощью базы В (рис.2). В этом случае суммарная информативность базирования будет равна шести: (1л+2у)+2л+1у=3л+3у=6ст (л - линейная степень свободы). Избыточность базирования исключена.

№

Ж 2 -

Рис. 2. Схема базирования на два круглых отверстия с одним срезанным штифтом

2. Одно из двух круглых отверстий под штифты сделать овальным (база В). В этом случае плоскость симметрии в сопряжении с цилиндрическим штифтом будет лишать деталь только одной угловой степени свободы, и являться опорной базой с информативностью, равной единице (рис.3). Ось овального отверстия совпадает с осью Х4. Таким образом суммарная информативность базирования будет равна шести: (1л+2у)+2л+ +1у=3л+3у=6ст. Избыточность базирования исключена.

Б 2

А.

?

Ж 2

ош О

1*1 - 1

хь

а 1

Рис. 3. Схема базирования на два отверстия: круглое и овальное

352

3. Увеличить диаметры отверстий в присоединяемой детали, т.е. зазоры между штифтами и отверстиями увеличиваются. Но за счет этого снизится точность базирования: вторая деталь (присоединяемая) в пределах зазоров может смещаться относительно первой детали по установочной базе в двух взаимно перпендикулярных направлениях и поворачиваться вокруг оси 7, особенно при совпадении размеров межосевых расстояний в деталях (рис. 4, а, б, в, г) [1].

Рис. 4. Схемы базирования по двум штифтам с увеличением зазора в различных вариантах сдвига присоединяемой детали (а, б, с, г): 1 - деталь, 2 - присоединяемая деталь, 3 - штифт

4. Использовать незакаленные штифты. Осуществить сборку за счет пластической деформации штифтов, но при этом снижается точность базирования из-за неодинаковости деформация штифтов, нарушаются их посадки, появляются внутренние напряжения и упругие деформации деталей (рис. 5) [7, 9, 10].

Рис. 5. Разрушение штифта в соединении из-за появления деформаций

353

Рассмотрев геометрические модели каждой детали отдельно [4, 5], необходимо построить геометрическую модель штифтового соединения в целом.

Основное назначение геометрической модели - соответствие реальному объекту за счет учета первичных погрешностей положения размеров и формы элементов детали.

Модель строится в системе координат комплекта основных или вспомогательных баз базирующей детали 1 (корпуса), представляя собой сопряжение геометрических моделей двух деталей (штифта и корпуса) с учетом подвижности присоединяемых деталей (три сопрягаемых детали 2, 3, 4 и крышки 5) (рис.6).

А-А

Рис. 6. Геометрическая модель многослойного штифтового соединения в двух вариантах (А, Б) базирования по штифтам: 1 - корпус; 2, 3, 4 - присоединяемые детали; 5 - крышка; 6 - штифт

Кроме линейных размерных цепей, следует также рассчитывать и угловые размерные цепи, т.к. отклонения осей штифтовых отверстий от перпендикулярности также существенно влияет на собираемость изделия. Очень хорошо эта проблема выражена при сборке по варианту Б (сопряжение штифта 6 с крышкой 5 будет затруднительно) [2, 9, 10].

Поверхности элементов имеют отклонения формы, которые изображаются на модели основными волнистыми линиями, касательными к образующим из материала элементов. Эти отклонения являются первичными погрешностями формы.

Относительно обобщенной системы координат ОХУг объекта измерения строится вспомогательная система координат О'Х'У'г'. Проекции обобщенной и вспомогательных систем координат наносятся на все проекции геометрической модели изделия. Отклонения от номинала каждой координаты являются первичными погрешностями координирующих размеров, которые вместе с номиналами координат наносятся на всех проекциях модели (ЕХ, ЕУ, Ег, 0°±АЕХ, 0°±АЕУ, 0°± АЕг) и указаны в таблице.

Линейные и угловые отклонения присоединяемых деталей штифтового многослойного соединения

№ детали Линейные отклонения Угловые отклонения

ЕХ ЕУ Ег АЕХ АЕУ АЕг

1 0 0 0 0 0 0

2 ЕХ2 ЕУ2 Ег2 0°± АЕХ2 0°± АЕХ2 0°± АЕХ2

3 ЕХз ЕУз Егз 0°± АЕХз 0°± АЕХз 0°± АЕХз

4 ЕХ4 ЕУ4 Ег4 0°± АЕХ4 0°± АЕХ4 0°± АЕХ4

5 ЕХ5 ЕУ5 Ег5 0°± АЕХ5 0°± АЕХ5 0°± АЕХ5

5. Вывод. Анализ геометрической модели показывает, что реальное изделие (рис. 6) отличается от своего номинального прототипа (рис. 1). Штифтовые соединения плоских деталей с помощью двух цилиндрических штифтов с учетом плоских установочных баз имеют суммарную информативность, равную семи и обладают избыточностью базирования, или статической неопределенностью базирования.

Построенные геометрические модели деталей по отдельности и затем всего сопряжения в целом раскрывают взаимосвязи элементов и их первичных погрешностей, которые влияют на характер соединений. Таким образом, при нормировании размерной и геометрической точности в конструкторской и технологической документации, а затем при разработке достоверных методик выполнения измерений и контроля необходимо использовать геометрические модели при создании образцов новой продукции, что будет способствовать повышению качества технической продукции [1].

355

Список литературы

1. Глухов В.И., Пшеничникова В.В. Штифтовые соединения: точность базирования деталей // Мир измерений. 2013. № 7 (149). С. 3-6.

2. Глухов В.И. Геометрические модели деталей и сборочных единиц // Анализ и синтез механических систем: сборник научных трудов под. ред. В .В. Евстиеева. Омск: ОмГТУ, 2004. С. 132-145.

3. Глухов В.И. Метрологическое обеспечение качества по точности геометрических величин: учебное пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. 140 с.

4. Пшеничникова В.В., Иженякова М.А. Метрологическое обеспечение штифтового разъемного соединения седла клапанов компрессора // Омский научный вестник. Сер. «Приборы, машины и технологии». 2014. №2(130). С. 122-124.

5. Пшеничникова В.В., Летуненко М.Н. Построение геометрических моделей цилиндрических штифтовых соединений // Стандартизация, метрология и управление качеством: сб. статей. Омск, 2015. С. 141-146.

6. ГОСТ 26862-86. Штифты. Общие технические требования. Введ. 1987-07-01. М.: Изд-во стандартов,1987. 10 с.

7. ГОСТ 3128-70. Штифты цилиндрические незакаленные. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1992. 8 с.

8. Pshenichnikova V.V. Geometrical product specifications: Basing precision of pin connection // Dynamics of Systems. Mechanisms and Machines (Dynamics). IEEE Conference Publications. 2014. P. 1-4.

9. Approach to the deviation representation of non-ideal cylindrical surfaces based on the curvilinear coordinate system / Lihong Qiaoa, Jianshun Wua, Zuowei Zhua, Yapeng Cuia // 14th CIRP Conference on Computer Aided Toler-ancing (CAT), 2016. Vol. 43. P. 17-22.

10. Brunesi E., Nascimbene R., Rassati G.A. Response of partially-restrained bolted beam-to-column connections under cyclic loads // Journal of Constructional Steel Research. 2014. Vol. 97. P. 24-38. DOI: 10.1016/j.jcsr.2014.01.014.

11. ISO 841:2001 1-2011. Geometrical Product Specifications (GPS) -Geometrical tolerancing - Tolerances of form, orientation, location and run-out, 2011.

12. ISO 286-1:2010. Geometrical product specifications (GPS) - ISO code system for tolerances on linear sizes - Part 1: Basis of tolerances, deviations and fits, 2010.

Пшеничникова Вера Владимировна канд. техн. наук, доцент, котрапе12@таИ. ги, Россия, Омск, Омский государственный технический университет

356

PROBLEMS OF ACCURACY OF BASE OF PIPE CONNECTIONS

V. V. Pshenichnikova

Standards is not discussed the connection of the pin with the item, but it is in pinning that redundancy occurs, and as a result problems during assembly and operation of products appear. One of the foundations of a new methodology are geometric models of real components and connections. The article presents solving of the problem of precision of connections using geometric models, informativeness of coordinate systems are discovered. Geometric models disclose system interconnection between elements and their primary errors.

Key words: pinned connections, base, geometric model, metrological support, precision, metrology.

Pshenichnikova Vera Vladimirovna, candidate of technical scienses, docent, kom-paneizamail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University