ИЗМЕРЕНИЕ И АНАЛИЗ ОТКЛОНЕНИЙ ФОРМЫ ДЕТАЛЕЙ ПРИ БЕСЦЕНТРОВОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ

7.1. Особенности измерения отклонений формы деталей в поперечном сечении

Более двух третей деталей машин и механизмов представляют собой тела вращения, от точности размеров и формы которых решающим обра­зом зависит качество машин и механизмов в целом. В последнее время все большее внимание уделяют контролю не только размеров номинальной поверхности (например, диаметр цилиндра), но и отклонениям от идеаль­ной геометрической формы. Контроль точности геометрической формы деталей является сложной проблемой, зависящей от многих факторов. Именно это обстоятельство определило множество методов и приборов измерения, каждый из которых с очевидностью не может быть универ­сальным и имеет свою рациональную область применения.

Точность формы поверхностей вращения зависит от точности двух основных элементов — образующей и направляющей. Образующая в общем случае может иметь произвольную форму, но на практике чаще всего представляет собой прямую (цилиндрические и конические поверхности) или окружность (сферические и тороидальные поверхности). Для норми­рования точности формы в продольном сечении ГОСТ 24642-81 преду­сматривает комплексный показатель — отклонение профиля продольного сечения.

Идеальная форма поперечного сечения (плоскостью, перпендику­лярной оси) тела вращения представляет собой круг. Точность формы в поперечном сечении ГОСТ 24642-81 нормирует с помощью комплексного показателя — отклонения от круглости, показывающего, насколько реаль­ный профиль отличается от некоторой базовой окружности, а также част­ных видов отклонений — овальности и огранки. Овальность — отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой овало­образную фигуру, наибольший и наименьший диаметры которой находят­ся во взаимно перпендикулярных направлениях. Огранка — отклонение от круглости, при котором реальный профиль представляет собой многогран­ную фигуру. Огранка характеризуется числом граней.

В качестве базовой окружности стандарты разных стран предлагают три варианта: прилегающая (наружная и внутренняя), средняя окружности, кольцевая зона наименьшей ширины. Наружная прилегающая окружность — окружность наименьшего возможного диаметра, описанная вокруг ре­ального профиля. Внутренняя прилегающая окружность — окружность наибольшего возможного диаметра, вписанная в реальный профиль. От­

клонение от круглости при этом равно разности наибольшего и наимень­шего радиусов профиля, проведенных из центра прилегающей окружно­сти. Средней окружностью называют окружность, проведенную относи­тельно профиля таким образом, что сумма квадратов расстояний от этой окружности до профиля минимальна. Отклонение от круглости определя­ют как разность наибольшего и наименьшего радиусов профиля, прове­денных из центра средней окружности. Кольцевой зоной наименьшей ши­рины называют зону, образованную двумя концентричными окружностя­ми, охватывающими профиль извне и изнутри, причем радиальное рассто­яние между окружностями минимально. Ширина зоны и определяет от­клонение от круглости.

ГОСТ 24642-81 рекомендует использовать прилегающую окруж­ность, хотя допускает применение средней окружности. В Великобритании стандарт BS 3730:1964 считает предпочтительной среднюю окружность, но допускает использование прилегающей и зоны минимальной ширины. Аналогичные рекомендации дает стандарт ISO и ряд национальных стан­дартов. В США в качестве основного варианта принята зона минимальной ширины. Очевидно, что если круглограмма будет геометрически правиль­ной фигурой, то центры всех базовых окружностей совпадут и соответ­ственно совпадут значения отклонения от круглости. При произвольной форме круглограммы расхождения рассчитанных от разных баз значений отклонения от круглости достигают 22 %, однако в среднем статистически эти отклонения не превышают 10 % [58].

С физической точки зрения ни один из перечисленных вариантов ба­зовой окружности нельзя считать оптимальным для всех возможных слу­чаев контроля профиля поперечного сечения. Прилегающие окружности наиболее удобны при оценке формы деталей, работающих в подвижных соединениях. В этом случае прилегающие окружности как бы воспроизво­дят элемент идеальной поверхности, сопряженной с проверяемой. В прес­совых соединениях важно знать распределение металла детали относи­тельно окружности среднего диаметра, так как от равномерности этого распределения зависит качество посадки. Тогда оптимальным вариантом базовой окружности будет средняя окружность. Возможны случаи, когда наиболее удобной является кольцевая зона минимальной ширины, напри­мер, оценка отклонения от круглости линий в виде траекторий движения, траектории пересечения двух поверхностей.

Наиболее просто вычисляются координаты центра и радиус средней окружности [59, 60]. Кроме того, параметры средней окружности опреде­ляются математически однозначно. Именно указанные обстоятельства способствовали широкому применению средней окружности в качестве ба­зы при измерении отклонения от круглости.

По принципу измерения и используемым приборам разделяют спо­собы радиусного, координатного и разностного измерения отклонения от круглости. Наибольшее распространение при контроле поверхностей и профилей тел вращения получили следующие приборы: кругломеры с об­разцовым вращением шпинделя, координатно-измерительные машины (КИМ) и трехконтактные приборы (призмы с измерительными датчиками малых линейных перемещений).

В табл. 7.1 приведены сравнительные технические характеристики приборов для контроля отклонения от круглости наиболее известных рос­сийских и иностранных фирм.

Способ прецизионного вращения — самый точный и распространен­ный в настоящее время. Сущность способа сводится к тому, что создается независимая от проверяемой поверхности система, одна из деталей (группа деталей) которой совершает вращательное движение. Таким образом, де­таль имеет только одну степень свободы — поворот вокруг некоторой оси. Тогда траектория любой точки вращающегося элемента может быть при­нята за образцовую окружность. Если рассмотреть обращенный вариант, то образцовой окружностью будет траектория любой точки пространства, неподвижная относительно вращающегося узла. Для сравнения профиля с этой окружностью нужно сцентрировать деталь относительно оси враще­ния и измерить (обкатать) ее головкой, чувствительной к малым линейным перемещениям.

Наиболее известной фирмой, выпускающей кругломеры с прецизи­онным вращением шпинделя, является фирма «Taylor Hobson» (Велико­британия), основанная более 100 лет назад. Именно этой фирмой был впервые сконструирован прибор данного типа и заложены основы стан­дарта [59]. Сейчас фирма «Taylor Hobson» производит широкий спектр кругломеров под торговой маркой «Talyrond». В СССР подобные приборы проектировались в ЭНИМСе и изготавливались на Московском заводе «Калибр». Разработан ГОСТ 8.481-82 «Государственная система обеспече­ния единства измерений. Кругломеры. Методы и средства поверки». К не­достаткам кругломеров с образцовым вращением шпинделя можно отне­сти: необходимость специального помещения, высокую стоимость, невоз­можность контроля крупногабаритных деталей.

Координатно-измерительные машины представляют собой наиболее универсальные средства контроля поверхностей. Например, шестикоорди­натные машины серии КИМ фирмы «Лапик» позволяют измерять с высо­кой точностью сколь угодно сложные поверхности как малых, так и круп­ных деталей. Однако при контактном способе измерения производитель­ность КИМ значительно уступает кругломерам с прецизионным вращени­ем, несмотря на то, что у них нет предварительного центрирования. Также в настоящее время точность измерения у КИМ сравнительно невысока.

Приборы, основанные на разностном методе измерения, в виде призм и датчиков малых линейных перемещений преимущественно ис­пользуют в цеховых условиях, в первую очередь при контроле крупнога­баритных деталей. Достоинства призм заключаются в простоте конструк­ции, портативности и невысокой стоимости. Основной недостаток таких приборов — наличие методической погрешности, аналитические методы минимизации которой не получили достаточного теоретического обосно­вания. В накладных кругломерах, производимых ЗАО «Санкт — Петербургский завод прецизионного станкостроения», реализован эффект стабилизации центра профиля измеряемой детали при вращении за счет применения так называемых многоопорных самоустанавливающихся призм [61]. Очевидный недостаток накладных кругломеров — конструктив­ная трудность, связанная с габаритными размерами и жесткостью кон­струкции прибора. Поэтому подобные приборы получили распространение преимущественно при контроле крупногабаритных деталей.