Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ОСНОВЫ БАЗИРОВАНИЯ

Под базированием понимается процесс придания заготовке, детали, сборочной единице, изделию требуемого положения относительно вы­бранной системы отсчета.

Под базой понимается поверхность или выполняющие ту же функ­цию сочетание поверхностей, ось, точка, принадлежащая заготовке, дета­ли или изделию и используемая для базирования.

В основе правил базирования лежит известное в теоретической ме­ханике положение о том, что свободное абсолютно твердое тело имеет шесть степеней свободы относительно выбранной системы координат, а именно: три перемещения параллельно координатным осям и три враще­ния вокруг них. Отсюда положение этого тела относительно системы отсчета можно определить шестью независимыми координатами, высту­пающими в роли связей, каждая из которых лишает тело одной степени свободы. При этом каждая координата осуществляет двустороннюю связь. Это означает, что наложение на тело одной координаты лишает его возможности перемещаться (вращаться) в двух противоположных на­правлениях.

Найдем положение абсолютно твердого тела произвольной формы в

Системе координат XYZ (рис. 1.3.1). Для этого достаточно знать положение трех его точек, не лежащих на одной пря­мой. Положение каждой точки опреде­ляется тремя независимыми координа­тами. Возьмем на теле три точки а, Ь, с и запишем их координаты.

Положение точки а определяется координатами аа', аа", аа"', точки Ь — координатами bb', bb", bb"', точки с - координатами сс', сс", сс"'. Приведен­ные девять координат лишают тело следующих степеней свободы: координаты аа', аа", аа"' — перемещения вдоль оси соответственно XKZ;

Координаты bb', bb", bb"' - вращения вокруг оси соответственно Y, X и перемещения вдоль оси Z;

Координаты сс', сс", сс'"- вращения вокруг оси соответственно Z, X и перемещения вдоль оси Y.

Как видно на рис. 1.3.1, координаты bb'", сс", сс"' вторично лишают тело степеней свободы, которых оно уже лишено. Таким образом, для лишения тела шести степеней свободы необходимо наложить на него шесть независимых координат. Координата не только лишает тело сте­пени свободы, но и определяет расстояние точки тела относительно соответствующей координатной плоскости системы отсчета.

Детали в изделии соединяют совмещением баз присоединяемой де­тали с соответствующими базами базовой детали. В данном случае (рис. 1.3.2) у присоединяемой детали II базами являются поверхности, на которых построены координатные плоскости XOY, XOZ, YOZ, а база­ми детали / - поверхности, на которых построены координатные плос­кости XtOjYu X\0\Zx, y,0|Z|. Примем за систему отсчета базы детали I. Тогда координаты 1-U,2 — 2\, 3 - Зи 4-4\, 5 — Зь б - б\ определят положение детали II (см. рис. 1.3.2, а). В результате совмещения баз дета­ли II с базами детали I координаты превратятся в шесть опорных точек (рис. 1.3.2, б).

Получим правило шести точек, согласно которому для определения положения детали, рассматриваемой как абсолютно твердое тело, отно­сительно другой детали (других деталей) необходимо и достаточно иметь шесть опорных точек, где каждая опорная точка лишает деталь одной степени свободы. Условное обозначение опорной точки показано нарис. 1.3.2,6.

Схему расположения опорных точек на базах заготовки, детали или изделия принято называть схемой базирования. Схемы базирования раз­личаются распределением опорных точек по трем координатным плоско­стям (при сохранении количества опорных точек на плоскостях 3-2-1), как показано на рис. 1.3.3.

Любая схема базирования, лишающая тело шести степеней свободы, реализуется с помощью набора из трех баз, которые принято называть комплектом баз. Базы, составляющие комплект, различаются лишаемы­ми степенями свободы и их числом и в соответствии с этим называются установочной, направляющей, опорной, двойной направляющей и двой­ной опорной.

Установочной называют базу, используемую для наложения на за­готовку или изделие связей, лишающих их трех степеней свободы - пе­ремещения вдоль одной координатной оси и поворотов вокруг двух дру­гих осей.

Например, если деталь призматическая (см. рис. 1.3.2), то роль уста­новочной базы выполняет нижняя поверхность, используемая для нало­жения трех связей (точки I, 2, 3), лишающих деталь возможности пере­мещаться в направлении оси OZ и поворачиваться вокруг осей, парал­лельных ОХ и OY.

Установочная база отличается большой площадью, чтобы можно было по возможности дальше разнести опорные точки, для придания де­тали большей устойчивости.

Направляющей называют базу, используемую для наложения на за­готовку или изделие связей, лишающих их двух степеней свободы — пе­ремещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг другой оси. Для детали призматической формы (см. рис. 1.3.2) - это боковая поверх­ность детали, наложение через которую двух связей (точки 4, 5) на деталь лишило ее возможности перемещения в направлении оси OY и поворота вокруг оси, параллельной OZ.

Направляющая база отличается большой протяженностью, что по­зволяет расположить опорные точки на максимальном удалении друг от друга и тем самым увеличить точность направления. Действительно, если расстояние между двумя опорными точками обозначить через Ь, а по­грешность установки детали на одной из этих опорных точек через а, то погрешность направления будет определяться tga = а / Ь. Отсюда, чем больше b при а = const, тем меньше погрешность направления.

Опорной называют базу, используемую для наложения на заготов­ку или изделие связи, лишающей их одной степени свободы — переме­щения вдоль одной координатной оси или поворота вокруг координат­ной оси.

В примере на рис. 1.3.2 в качестве опорной базы использована зад­няя стенка детали. Через эту поверхность деталь лишена возможности перемещения в направлении оси ОХ (точка б). Для опорной базы не тре­буется поверхности больших размеров.

Двойной направляющей называют базу, используемую для наложе­ния на заготовку или изделие связей, лишающих их четырех степеней свободы — перемещений вдоль двух координатных осей и поворотов во­круг этих осей.

Наложение связей на деталь или заготовку с помощью цилиндриче­ской (конической) поверхности чаще всего осуществляется через ось (рис. 1.3.4, а) точки 7, 2, 3, 4, относительно которой она образована вра­щением образующей прямой.

Двойной опорной называют базу, используемую для наложения на заготовку или изделие связей, лишающих их двух степеней свободы (рис. 1.3.4, б, точки 4, 5) - перемещений вдоль двух координатных осей.

В отличие от направляющей базы, с помощью которой деталь лиша­ется одного перемещения и одного поворота, двойную опорную базу ис­пользуют для лишения детали двух перемещений.

Как правило, в качестве двойной опорной базы используется по­верхность вращения.

Если деталь лишается всех степеней свободы, то считается, что она имеет полный комплект баз, которые образуют координатный угол.

Если для детали в соответствии с ее функциями оставляют одну или несколько степеней свободы, то соответственно уменьшают потребное число опорных точек и число баз, и тогда комплект баз будет неполным.

Из рассмотренного перечня баз возможны четыре варианта ком­плектов баз:

У-Н-О; У-ДО-О-, ДН-О-О; ДН-ДО,

Где У - установочная база; Н - направляющая база; О - опорная база; ДН - двойная направляющая база; ДО - двойная опорная база.

По характеру проявления базы могут быть явными и скрытыми.

Явной называют базу, материализованную в виде реальной поверх­ности, разметочной риски или точки пересечения рисок.

Скрытой базой называют базу в виде воображаемой плоскости, оси или точки.

К скрытым базам прибегают тогда, когда у детали, заготовки отсут­ствуют необходимые поверхности.

Например, крышка имеет только установочную базу (см. рис. 1.3.5), образованную опорными точками 1, 2, 3 (рис. 1.3.5, б). Чтобы получить полный комплект баз, необходимо построить две недостающие коорди­натные плоскости и на них расположить воображаемые три опорные точ­ки 4, 5, 6, доведя их общее число до шести.

Наложение связей на скрытые базы может быть осуществлено визу­ально, либо с помощью специальных технических средств. В первом слу­чае человек, оценивая положение воображаемых координатных плоско­стей относительно системы отсчета, придает нужное положение детали или заготовке (таким примером может служить установка заготовки на магнитной плите плоскошлифовального станка). Для повышения точно­сти базирования могут быть применены измерительные приборы или инструменты.

Однако на практике применять скрытые базы неудобно. Чтобы со­кратить затраты времени на базирование по скрытым базам и повысить его точность, применяют различного рода центрирующие средства, напри­мер, центры, самоцентрирующий патрон, самоцентрирующие призмы и др.

На рис. 1.3.6 показано базирование рычага по двум плоскостям сим­метрии, осуществленное с помощью одновременно равномерно сходя­щихся призм, реализующие базирование по скрытой базе 4, 5.

Рис. 1.3.7. Базирование вала в центрах с односторонним поводком

В ряде случаев скрытые базы стараются материализовать и превра­тить их в явные, что позволяет сократить затраты времени на базирова­ние. Материализация без осуществляется посредством создания реаль­ных поверхностей или разметочных линий и точек, представляющих со­бой следы пересечения координатных плоскостей. Например, в результа­те применения хомутика материализуют у шпинделя (вала) опорную точ­ку 6 (рис. 1.3.7). Хомутик, жестко закрепленный на заготовке, становится частью заготовки и, касаясь поводкового пальца патрона, тем самым ма­териализует точку б.

Как отмечалось выше, при соединении деталей координаты, ли­шающие деталь соответствующих степеней свободы, накладывают на нее двусторонние связи. В отличие от координатной связи опорная точка на­кладывает на деталь одностороннюю связь. Это означает, что деталь ли­шается возможности перемещения (вращения) только в одном направле­нии - в направлении опорной точки. Но детали ничто не препятствует перемещаться (вращаться) в обратном направлении. В то же время для нормального функционирования машины, механизма каждая их деталь должна сохранить положение, приобретенное ею в результате базирова­ния. Однако во время работы изделия действуют различные силы и обра­зуемые ими моменты, которые стремятся нарушить первоначальное по­ложение деталей. Поэтому при базировании детали необходимо не толь­ко достигнуть требуемого ее положения в изделии, но и сохранить его на время эксплуатации изделия.

В связи с изложенным возникли понятия определенности и неопре­деленности базирования.

Под определенностью базирования объекта (детали, заготовки, сбо­рочной единицы) понимается неизменность его баз и расположения опорных точек на базах в процессе работы изделия или его изготовления, обеспечивающих постоянность положения объекта.

Под неопределенностью базиро­вания понимается изменение требуе­мого положения объекта в результате изменения баз или расположения опорных точек на базах (в качестве примера изменения расположения опорных точек можно рассматривать стол с четырьмя ножками, установ­ленный на неровном полу; в зависи­мости от того, в каком месте опира­ются на стол, в контакт с полом будут входить разные наборы трех ножек из четырех).

Определенность базирования детали обеспечивается приложением к ней сил, создающих силовое замыкание присоединяемой детали. Силы и моменты, создающие силовое замыкание, должны быть больше сил и моментов, стремящихся нарушить положение детали в машине. Для соз­дания силового замыкания используют упругие силы, силы трения, силы тяжести деталей, магнитные и электромагнитные силы и др. При этом силы должны быть направлены на опорные точки.

Силовое замыкание и опорная точка обусловливают двустороннюю связь и лишают деталь степени свободы в противоположных направле­ниях. Отсюда вытекает главное требование к созданию силового замыка­ния: оно должно быть направлено на опорную точку (рис. 1.3.8).

Неопределенность базирования приводит к погрешности относи­тельного положения или движения деталей в изделии, и поэтому она не­желательна. Причинами неопределенности базирования являются непра­вильные конструктивные решения, неправильное приложение силового замыкания, а также наличие зазоров в соединении деталей.

Неправильное конструктивное решение обычно является следствием несоблюдения основных правил базирования. Например, за установоч­ную базу не следует принимать поверхность небольших размеров, а за направляющую базу - поверхность малой протяженности (рис. 1.3.9).

Рис. 1.3.9. Схемы базирования, вызывающие неопределенность базирования при неправильном выборе: а - установочной базы; б - двойной направляющей базы

А)

Неправильное приложение силового замыкания является результа­том нарушения правил его осуществления, когда его величина меньше сил и моментов, стремящихся нарушить первоначальное положение де­тали, или силовое замыкание направлено не на опорную точку.

Наличие зазоров в соединениях, как правило, обусловлено требова­нием посадок. Если деталь должна перемещаться, то в соединении дол­жен быть зазор, который и вызовет неопределенность базирования. Сле­довательно, необходимо рассчитывать зазоры и устанавливать требуемые допуски на них, принимая во внимание не только посадки, но и погреш­ность, вызываемую неопределенностью базирования.

Из изложенного следует, что для обеспечения определенности базиро­вания необходимо выполнять требования, предъявляемые к базам по разме­рам, геометрической форме, и правильно осуществлять силовое замыкание.

По назначению все рассмотренные выше базы могут быть конст­рукторскими, технологическими, измерительными.

Базы, с помощью которых базируются детали или сборочные еди­ницы в изделии, называют конструкторскими. Конструкторские базы делятся на основные и вспомогательные.

Основной называют конструкторскую базу, принадлежащую детали или сборочной единице и используемую для определения их положения в изделии.

Вспомогательной называют конструкторскую базу, принадлежащую детали или сборочной единице и используемую для определения поло­жения присоединяемой к ним детали или сборочной единицы. Следует заметить, что любая деталь может иметь только один комплект основных баз, а комплектов вспомогательных баз столько, сколько деталей или сборочных единиц к ней присоединяется.

Технологической называют базу, используемую для определения по­ложения заготовки, детали или изделия в процессе изготовления, сборки или ремонта. Понятие технологической базы распространяется на все стадии процесса изготовления изделия (изготовление детали механиче­ской обработкой, сборку изделия и т. д.).

Измерительной называют базу, используемую для определения по­ложения заготовки, детали или изделия и средств измерения и ее приме­няют при оценке точности детали, настройке станков и т. д.

Классификация баз приведена на рис. 1.3.10.

Явная

Скрытая

Рис. 1.3.10. Классификация баз