Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
МОДУЛЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ (МП) ДЕТАЛИ
Любая деталь, создаваемая конструктором, предназначена выполнять соответствующее служебное назначение посредством ее поверхностей. Следовательно, каждая ее поверхность предназначена выполнять определенную служебную функцию.
Анализ деталей различных изделий показывает, что независимо от того, в какие изделия входит деталь, она предназначена или непосредственно участвовать в рабочем процессе, осуществляемом изделием, и (или) выполнять роль базовой детали для монтажа на ней других деталей. Таким образом, признак служебного назначения позволяет классифицировать все детали (независимо от их конструктивного и геометрического оформления, материала, массы) на детали: базовые; участвующие в рабочем процессе; выполняющие роль базовых и одновременно участвующих в рабочем процессе.
Между этими характеристиками детали и ее служебным назначением существуют связи. Именно служебное назначение детали предопределяет ее конструктивные формы, размеры, материал, требования к точности и т. д. Например, если деталь предназначена передавать крутящий момент, то она должна вращаться, следовательно, конструктивно она будет выполнена в виде тела вращения. В зависимости от передаваемого крутящего момента будет выбран соответствующий материал детали и т. д.
В соответствии с приведенной на рис. 1.2.1 (с. 28) классификацией поверхности де тати в итоге подразделяются на базирующие, рабочие и связующие.
С помощью рабочих поверхностей деталь осуществляет рабочий процесс. Например, если деталь является инструментом, то в зависимости от его типа у нее должны быть поверхности для резания материала или выдавливания и т. д. Если деталь, например, зубчатое колесо, предназначена передавать крутящий момент, то у нее будет набор боковых поверхностей зубьев, которые являются рабочими поверхностями.
Для того чтобы деталь могла выполнять функции базовой детали для других деталей, она должна содержать базирующие поверхности, по которым они монтируются на ней. Например, чтобы на вал смонтировать зубчатое колесо, вал должен иметь комплект вспомогательных баз в виде торца, наружной цилиндрической поверхности и плоскости, образуемой боковой поверхностью шпонки. Для этого у зубчатого колеса должен быть набор базирующих поверхностей, образующих ответный комплект баз в виде торца, внутренней цилиндрической поверхности и шпоночного паза.
Итак, чтобы деталь могла выполнять свое служебное назначение, она должна иметь соответствующий набор рабочих и базирующих поверхностей. При этом необходимо, чтобы все поверхности сохраняли заданное относительное положение в процессе работы детали. Таким образом, зубчатое колесо для выполнения служебного назначения можно представить (см. рис. 1.2.2) набором боковых поверхностей зубьев, например, эвольвентной формы и комплектом баз (торец, отверстие, шпоночный паз). И никакие другие поверхности зубчатому колесу с точки зрения служебного назначения не нужны. Но при этом необходимо обеспечить точное и постоянное относительное положение указанных поверхностей. Стоит только нарушить их относительное положение, как сразу снизится качество работы передачи, может произойти заклинивание, появится неравномерность вращения и т. п. Поэтому требуется связать эти два вида поверхностей с помощью связующих поверхностей в одну систему.
Связующие поверхности, как правило, сами непосредственно не участвуют в выполнении деталью ее служебного назначения; их задача заключается в объединении всех исполнительных поверхностей в единое пространственное тело - деталь, и придание ей требуемых форм и размеров.
В настоящее время связи между поверхностями осуществляются с помощью материала, когда деталь создается из одного куска материала.
В перспективе, возможно, появятся и другие виды связей исполнительных поверхностей, и тогда надобность в связующих поверхностях может отпасть. Например, если использовать магнитные силы для обеспечения относительного положения исполнительных поверхностей детали, то деталь не будет представлять собой монолит и у нее могут отсутствовать связующие поверхности.
Рассмотрим конструктивное оформление исполнительных и связующих поверхностей.
Базирующие поверхности. Как следует из теории базирования, для того чтобы установить деталь в заданное положение, ее надо лишить всех шести степеней свободы. Для этого она должна иметь комплект баз, на котором будут располагаться шесть опорных точек.
Функции базирующих поверхностей накладывают определенные ограничения на разнообразие их конструктивного оформления. Например, в качестве установочной и направляющей баз, как правило, используется плоская поверхность; в качестве двойной направляющей базы и двойной опорной базы чаще всего выступает поверхность вращения, например, цилиндрическая поверхность; в качестве опорной базы может выступать небольшой участок поверхности любой формы.
Рассматривая рабочие поверхности деталей, следует прежде всего установить рабочие функции, которые выполняют детали. Рабочие функции можно разделить по роду рабочих процессов, в которых участвуют детали:
- процесс обработки;
- передача движения (вращательного, поступательного);
- герметизация;
- хранение сыпучих и жидких материалов;
- передача рабочей среды и др.
Для осуществления каждого из перечисленных рабочих процессов детали имеют соответствующие рабочие поверхности. Если, к примеру, деталь участвует в процессе обработки заготовки резанием, то у детали, именуемой в данном случае инструментом, будет набор поверхностей, образующих режущую часть.
У штампа рабочая поверхность чаще всего представлена сложной по форме поверхностью; колесо центробежного насоса имеет рабочие поверхности для передачи рабочей среды; у турбинной лопатки рабочей поверхностью служит поверхность сложной формы.
Если деталь предназначена передавать движение, то она выступает в роли звена кинематической цепи и имеет соответствующие рабочие поверхности. Например, для поступательного движения деталь имеет комплект направляющих поверхностей.
Из приведенных примеров видно, что рабочие поверхности зависят от характера рабочего процесса, в котором участвует деталь, и могут представлять собой как совокупность поверхностей, так и отдельные поверхности, среди которых встречаются поверхности сложной геометрической формы. Условимся под поверхностями простой геометрической формы понимать плоские поверхности и поверхности вращения.
Как уже отмечалось, связующие поверхности необходимы прежде всего для достижения и сохранения требуемого относительного положения исполнительных поверхностей. Выполняя эту главную задачу, связующие поверхности попутно выполняют и ряд других вспомогательных функций, в ряде случаев оказывающих существенное влияние на геометрическую форму как самих связующих поверхностей, так и детали в целом. К таким функциям относятся:
- придание детали соответствующих конструктивных форм, обусловленных требованиями прочности, экономии материма, эстетики;
- ограничение габаритных размеров исполнительных поверхностей;
- обеспечение технологичности детали и др.
Например, если деталь представляет собой тело вращения и крепится консольно, то с позиции равной прочности деталь будет иметь поверхность вращения сложной формы. Чтобы избежать концентраторов напряжений, необходимо обеспечить связь между торцем и поверхностью вращения через поверхность, обеспечивающую плавный переход, и т. д. Большое влияние связующие поверхности оказывают на технологичность детали как для получения заготовки, так и для ее обработки и сборки изделия. В связи с этим связующие поверхности выполняются в виде различного рода канавок, скосов, фасок и т. п.
В то же время, несмотря на то, что связующие поверхности не участвуют в выполнении деталью ее служебных функций, они могут оказывать существенное влияние на качество работы детали. Например, для детали типа тела вращения погрешности формы и расположения связующих поверхностей могут вызвать дисбаланс. В связи с этим в ряде случаев к качеству связующих поверхностей могут предъявляться достаточно высокие требования.
Анализ выполнения деталями их служебных функций позволяет сделать важный вывод о том, что деталь выполняет свое служебное назначение, в основном, сочетаниями поверхностей и только в ряде случаев отдельными поверхностями. Поэтому деталь можно представить как совокупность сочетаний поверхностей (реже отдельных поверхностей) соответствующего служебного назначения. Они и являются теми элементами, из которых можно создать любую деталь независимо от того, к какому изделию она принадлежит. В связи с этим было введено понятие модуля поверхностей (МП), под которым понимается сочетание поверхностей (или отдельная поверхность), предназначенных выполнять соответствующую служебную функцию детали и придавать детали конструктивную форму, обусловленную требованиями эксплуатации и изготовления.
Положив в основу классификации модулей поверхностей их служебный признак, можно все модули поверхностей разделить на три класса МП: базирующие (МПБ), рабочие (МПР), связующие (МПС) (рис. 1.4.1).
Деление всех модулей поверхностей по служебному признаку на три класса придает им однозначность в определении и является главным отличием и преимуществом данной классификации. На предприятии грамотный конструктор или технолог сможет однозначно сгруппировать все поверхности любой детали на модули трех классов.
Следующим шагом в разработке классификации модулей поверхностей является деление каждого класса на подклассы, группы, подгруппы. При этом следует помнить, что любая классификация характеризуется объектом классификации, перечнем отличительных признаков и их последовательностью, согласно которой производится группирование объектов.
В существующих классификациях поверхностей деталей в качестве первого признака принимают геометрический, в соответствии с которым деталь представляется в виде совокупности элементарных поверхностей. Например, при кодировании деталь рассматривают как структуру, состоящую из множества элементов. Различают элементы основной формы детали и элементы, находящиеся в отношении наложения к элементам основной формы. Элементы основной формы детали - это поверхности, образующие главный контур детали: наружные и внутренние, цилиндрические, конические, криволинейные, поверхности вращения, плоские торцы, поверхности движения. Элементы, находящиеся в отношении наложения, расположены на элементах основной формы - это фаски, лыс - ки, резьбы, дополнительные отверстия, шлицы, зубья и т. п.
Б211 |
Б212 |
Б221 |
Б222 |
Б311 |
Б312 |
Б321 |
Б322 |
Р111 |
Р112 |
Р121 |
Р122 |
С112 |
С121 |
С122 |
Cm |
|і II |
Рис. 1.4.1. Классификация модулей поверхностей
Такое деление детали на отдельные поверхности искусственно разделяет поверхности, предназначенные совместно выполнять ту или иную функцию детали. С другой стороны, одну и ту же деталь можно представить разными наборами поверхностей, в зависимости от того, что понимать под "элементарной" поверхностью. В рассматриваемом случае при построении классификации МП группирование МП производится не по геометрическому, а по служебному признаку.
В конечном итоге задача классификации заключается в том, чтобы получить номенклатуру МП в виде их конструктивно-геометрического оформления, которые в дальнейшем служат проектными модулями. Далее каждый класс МП должен подразделяться по признакам, характеризующим конструктивно-геометрическое оформление МП.
Рассмотрим деление класса базирующих модулей. Задача любого МПБ лишить объект всех степеней свободы. В зависимости от схемы базирования и типа базирующих поверхностей, входящих в состав МПБ, последние имеют соответствующее конструктивно-геометрическое оформление.
Класс МПБ характеризуется наличием у модуля трех базирующих поверхностей, на которых может быть построена прямоугольная система координат с расположением шести опорных точек по схеме 3 - 2 - I. Принимая во внимание возможный набор поверхностей, где поверхность лишает деталь от одной до четырех степеней свободы, можно по конструктивно-геометрическому признаку разделить класс МПБ на пять подклассов.
Первый, четвертый и пятый подклассы (Б1, Б4, Б5) делятся на две группы по характеру поверхностей, образующих модуль. Комплекты баз, содержащие внутренние (охватывающие) поверхности, вошли в первую группу (БИ, Б41, Б51), а комплекты баз, образованные наружными (охватываемыми) поверхностями, вошли во вторую группу (Б 12, Б42, Б52).
Подклассы Б2 и БЗ делятся на две группы по геометрическим разновидностям поверхностей, входящих в подклассы. В группу Б21 входят базирующие модули поверхностей, содержащие цилиндрическую резьбовую поверхность, а в группу Б22 - базирующие модули, содержащие коническую резьбовую поверхность. В свою очередь каждая из групп Б21 и Б22 делится на две подгруппы: Б21 делится на Б211 и Б212 в зависимости от того, охватывающей или охватываемой является резьбовая цилиндрическая поверхность; аналогично и Б22 делится на Б221 и Б222 в зависимости от того, охватывающей или охватываемой является резьбовая коническая поверхность.
Также подкласс БЗ делится на две группы Б31 и Б32. В Б31 входят базирующие модули, содержащие две плоскости и цилиндрическую поверхность, а в группу Б32 - базирующие модули, содержащие две цилиндрические поверхности и одну плоскую. Далее каждая из групп базирующих модулей поверхностей Б31, Б32 подразделяются на две группы КЗ 11, Б312 и Б321, Б322 по признаку охватываемой или охватывающей цилиндрической поверхности.
Классификация рабочих модулей (МПР) сложнее, поскольку в отличие от базирующих модулей у МПР служебные функции разнообразнее. Конструктивно-геометрическое оформление МПР зависит от характера рабочего процесса, в осуществлении которого он участвует.
Если для деления МПР на подклассы в качестве отличительного признака принять тип рабочего процесса, то может оказаться, что в разных подклассах окажутся МПР одинакового конструктивно-геометри - ческого оформления. Чтобы этого не произошло, деление МПР на подклассы и группы следует производить по признакам, отражающим конст- рукторско-гсометрические характеристики. В дальнейшем, по мерс накопления данных о встречающихся МПР и их анализа появится возможность внести уточнения в их классификацию.
В связи с изложенным предлагается класс МПР разделить на подклассы Р1 и Р2, в которые входят соответственно модули с совокупностями поверхностей простой и сложной формы. В свою очередь каждый подкласс делится на две группы по виду поверхности (охватываемая или охватывающая). Группы Р11 и Р12 делятся на подгруппы Pill, Р112 и Р121, Р122 также по виду поверхностей (охватываемая, охватывающая).
Аналогично, на тех же основаниях и по тем же признакам, была проведена классификация связующих модулей (МПС). Класс МПС был разделен на подклассы С1 и С2, а они в свою очередь на группы С11, С12 и С21, С22; группы СП и С12 разделены на подгруппы СІП, С112 и С121,С122.
Нарис. 1.4.2 приведены примеры конструктивного оформления каждого из 26 видов МП. Как следует из рис. 1.4.2, модули поверхностей в силу простоты конструктивного оформления описываются небольшим набором характеристик.
Из изложенного следует, что МП отличается однозначностью в определении, которое ему придает его служебное назначение, простотой конструкции и высокой устойчивостью. Например, как показывает практика, конструктивное оформление МП за последние полвека не претерпело принципиальных изменений и нет признаков их существенного изменения в обозримом будущем.
В качестве примера представления детали совокупностью МП на рис. 1.4.3, а и 6 представлены редуктор конической передачи и его корпус. Редуктор устанавливается плоскостью основания и двумя отверстиями корпуса, выполняющих роль комплекта основных баз и образующих базирующий модуль 1Б321. Как следует из рис. 1.4.3, б, корпус имеет только один рабочий модуль поверхностей Р21, выполняющий роль емкости под масло. Корпус редуктора содержит еще целый ряд базирующих модулей, выполняющих роль комплектов вспомогательных баз. В частности, поверхности / и 2 образуют базирующий модуль 6Б311, по которым базируется левый стакан подшипника. Аналогично поверхности 3 и 4 образуют базирующий модуль І8Б311 под правый стакан, в который установлены два подшипника. Для крепления обоих стаканов в корпусе предусмотрены базирующие модули Б211 по четыре штуки под крепление каждого стакана (на чертеже видны только 5Б211, 8Б211 и 17Б211, 20Б21І). Эти базирующие модули содержат только одну базирующую поверхность в виде внутренней резьбовой поверхности, другая поверхность этих модулей торец - принадлежит стакану.
Для слива масла в редукторе предусмотрена заглушка, под которую в корпусе редуктора имеется базирующий модуль 26Б221, выполненный в виде внутренней конической резьбовой поверхности. Под крышку, закрывающую корпус редуктора, предусмотрен базирующий модуль 12Б321, являющийся неполным комплектом баз и содержащий одну плоскую поверхность.
Для крепления крышки к корпусу редуктора в корпусе имеется двенадцать базирующих модулей Б211 (из которых на чертеже видны только два - № 10 и № 14) под установку винтов, каждый из которых содержит лишь одну базирующую поверхность в виде внутренней цилиндрической резьбы, а вторая поверхность - торец, принадлежит крышке. Остальные поверхности корпуса редуктора относятся к связующим поверхностям, образующим соответствующие МПС.
В итоге корпус редуктора представляется совокупностью соответствующих МП, которые указываются выносными линиями, подобно выносным линиям на сборочном чертеже, указывающим детали, входящие в состав изделия.
Рис. 1.4.3. Представление детали совокупностью МП: А - конический редуктор; б - корпус редуктора |
Б) |