1.3. Основы взаимозаменяемости
Для получения стандартных изделий заданного качества приходится создавать разветвленную нормативную базу. Стандартизация является нормативной базой взаимозаменяемости серийно выпускаемых изделий и многократно воспроизводимых процессов (рис. 1.4). При изготовлении взаимозаменяемых изделий следует не допускать таких различий, которые выходят за оговоренные нормы.
Обеспечение взаимозаменяемости рассматривается на этапах изготовления изделий и их ремонта. Чем более подробно и жестко нормированы параметры изделий, тем проще реализуется замена, но тем сложнее технологически обеспечить взаимозаменяемость.
Взаимозаменяемость изделий и их составных частей (узлов, деталей, элементов), а также взаимозаменяемость технологических процессов, операций и их элементов следует рассматривать как единственную возможность реализации экономичного серийного и массового производства с обеспечением заданного уровня качества. Одинаковый (колеблющийся в пределах пренебрежимых для потребителя различий) уровень качества конечных продуктов (изделий, услуг) конкретного производства обеспечивается выполнением правильно определенного набора требований.
Необходимый результат нормирования параметров серийно воспроизводимых изделий или процессов – обеспечение взаимозаменяемости однотипных объектов в любой изготавливаемой партии или совокупности воспроизводимых технологических процессов.
Рис. 1.4. Роль стандартизации в изготовлении изделий
серийного и массового производства
Взаимозаменяемость изделий и их составных частей (узлов, деталей, элементов), а также взаимозаменяемость технологических процессов, операций и их элементов следует рассматривать как единственную возможность реализации экономичного серийного и массового производства с обеспечением заданного уровня качества. Одинаковый (колеблющийся в пределах пренебрежимых для потребителя различий) уровень качества конечных продуктов (изделий, услуг) конкретного производства обеспечивается выполнением правильно определенного набора требований.
Необходимый результат нормирования параметров серийно воспроизводимых изделий или процессов – обеспечение взаимозаменяемости однотипных объектов в любой изготавливаемой партии или совокупности воспроизводимых технологических процессов.
Виды взаимозаменяемости
Взаимозаменяемость изделий – сложное свойство. Различают параметрическую и функциональную взаимозаменяемость. Иногда говорят о полной и «неполной» или «частичной» взаимозаменяемости.
Полная параметрическая взаимозаменяемость изделий подразумевает их взаимозаменяемость по всем нормируемым параметрам.
Именно для обеспечения нормального функционирования изделий и разработан такой подход к их проектированию, который традиционно называют «полная взаимозаменяемость».
В число нормируемых параметров изделий могут входить:
геометрические (размеры отклонения, формы и расположения и параметры шероховатость поверхностей);
физико-механические (твердость, масса, отражательная способность и т.д.);
экономические (себестоимость, лимитная цена, производительность и др.);
прочие (эргономические, эстетические, экологические и др.).
Относительно жесткие требования предъявляются к параметрам всех элементов деталей и сопряжений, которые обеспечивают нормальную работу изделия. Обеспечение взаимозаменяемости, а значит и заданного уровня качества изделий подразумевает:
установление комплекса требований ко всем параметрам, оказывающим влияние на взаимозаменяемость и качество изделий (нормирование номинальных значений и точности параметров);
соблюдение при изготовлении установленных норм, единых для одинаковых объектов, и эффективный контроль нормируемых параметров.
При назначении норм неправильный, или нечетко определенный выбор их границ могут привести к нарушению взаимозаменяемости изготавливаемых изделий, следовательно, к несоблюдению заданного уровня качества изделий. Указание типа 20 оС фиксирует не норму, а номинальное значение, сто позволяет трактовать ограничения произвольно и может привести к возникновению конфликтной ситуации.
«Неполная взаимозаменяемость» допускает взаимозаменяемость изделия по ограниченному числу параметров или свойств.
Тела качения в одном подшипнике определенного типоразмера обладают полной взаимозаменяемостью, однако они могут оказаться невзаимозаменяемыми с телами качения другого подшипника того же типоразмера. В таком случае говорят о «внутренней взаимозаменяемости» тел качения в каждом из подшипников и о «внешней взаимозаменяемости» всех подшипников данного типоразмера, поскольку установка любого из них в проектируемое изделие должна обеспечить нормальное функционирование. «Внешняя взаимозаменяемость» подшипников определяется «одинаковостью» присоединительных размеров, точности вращения, нагрузочной способности и др. Из последних примеров видно, что наряду с взаимозаменяемостью по физико-механическим свойствам деталей значительное внимание приходится уделять их геометрическим параметрам.
Можно «отказаться от взаимозаменяемости» еще в процессе проектирования, заложив в конструкцию компенсатор, который обеспечивает изменение в определенных пределах (регулирование) нормируемого параметра. Всем известны регулируемые опоры (ножки) приборов и станков, которые позволяют компенсировать не только неточности изготовления самих изделий, но и несовершенство базовых поверхностей (стола, пола). Но при проектировании компенсаторов или устройств для регулировки также необходимо придерживаться некоторых общих точностных требований к конструкциям, что и является поводом для употребления термина «частичная взаимозаменяемость».
Функциональная взаимозаменяемость, которую иногда противопоставляют «полной взаимозаменяемости» изделий гарантирует равноценное выполнение ими заранее оговоренных функций.
Фактически функциональную взаимозаменяемость тоже можно рассматривать как полную взаимозаменяемость или «частичную взаимозаменяемость». Но в отличие от взаимозаменяемости вследствие «одинаковости» параметров, функциональная взаимозаменяемость изделий определяется необходимым и достаточным набором требований к их работе (выполнению заданных функций). Например, если необходимо записать краткое сообщение, функционально взаимозаменяемыми могут быть карандаш, шариковая или перьевая ручка, кусок мела, компьютер (перечень составлен без учета экономических затрат и квалификации пользователя). Наложение экономических ограничений может резко укоротить такой список. Особенностью, которую подчеркивает термин «функциональная взаимозаменяемость», является приоритет выполняемых изделием функций (карандашом, мелом, ручкой... «пишут») при возможных существенных технических отличиях используемых объектов. Функционально взаимозаменяемыми решениями в неподвижном сопряжении вала с зубчатым колесом могут быть посадка с гарантированным натягом, шпоночное или шлицевое сопряжения. Можно применить также фиксацию зубчатого колеса винтом или штифтом.
Функционально взаимозаменяемыми по содержанию зафиксированной информации для владельца компьютера могут быть файлы, записанные на жестком диске, флэш-памяти, компакт-дисках, а также «твердая копия» соответствующего файла, хотя параметрические отличия между носителями информации весьма существенны.
Детали для изделий машиностроения держат первый экзамен на взаимозаменяемость в процессе сборки. Неточно изготовленные детали могут не собраться друг с другом или сломаться при попытке собрать их «силой», поэтому для механических деталей и узлов в первую очередь рассматривается такой аспект как геометрическая взаимозаменяемость.
Геометрическая взаимозаменяемость выделяется особо, еще и потому, что в машиностроении и приборостроении именно формообразование деталей является преимущественным видом работ. В производстве геометрические параметры изделий всегда получают с ограниченной точностью. Абсолютная точность недостижима на практике, да и необходимости в ней нет. Как правило, с одинаковым конечным результатом работают детали, изготовленные в некотором диапазоне геометрических параметров. Разрешенный диапазон изменения параметра – допуск. Чтобы обеспечить возможность назначения норм разных относительных уровней точности разрабатывают системы допусков. Для обеспечения взаимозаменяемости различных изделий по геометрическим параметрам необходимо использование соответствующих систем допусков и посадок, которые оформлены в виде стандартов.
Технической документацией задаются параметр с установленными нормами точности, которые в ходе изготовления изделия реализуются в виде реальных параметров. Оценка значений этих параметров осуществляет на этапе контроля соответствия с использованием необходимых технических средств (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Параметры изделий – нормирование и контроль
Применение средств измерений для технического контроля
Параметры следует не только нормировать в технической документации изделий, но и контролировать в процессе их изготовления или по его окончании. Годность изделия по параметру Q оценивают сравнением действительного значения параметра Qдейств с его предельными допускаемыми значениями.
Определение годности объекта по выбранному свойству заключается в контроле его параметра или характеристики. Если для контроля применяют органы чувств (например, зрение, слух и т.д.), то контроль называют органолептическим. В случае если используют средства измерений контроль называют измерительным.
При контроле можно осуществлять сортировку деталей на группы: «годные» и «брак». Такой контроль достаточен для потребителя. Однако информация только о годности может оказаться недостаточной для самого изготовителя, которому нужно знать числовые значения параметров каждой детали для возможной корректировки процесса. Результаты измерений, которые несут информацию о точности технологического процесса, получают с помощью приборов, измерительных установок и измерительных систем. Информация о конкретном значении каждого контролируемого параметра может быть получена в процессе технических измерений. Под техническими измерениями мы будем понимать инструментальные измерения, выполненные с точностью, не ниже установленной. Задачи установления требуемой точности и методы ее обеспечения составляют теоретическую основу технических измерений.
Чтобы получить действительное значение контролируемого параметра, представленного физической величиной, необходимо сравнить его реальное значение с единицей соответствующей физической величины – в этом и заключается суть любого измерения. Единицы физических величин, воспроизводящие их средства измерений, методики выполнения измерений, выполнение измерительных и иных процедур, включающих измерения, являются объектом исследования отдельной науки – метрологии
Связи между стандартизацией, метрологией и взаимозаменяемостью очевидны. Если серийное производство и эксплуатацию изделий удовлетворительного качества можно организовать только с применением взаимозаменяемости, делать это следует, опираясь на стандарты. Выполнение установленных требований, которые оформляются на основе стандартов, проверяют измерениями, которые в свою очередь базируются на стандартных единицах, средствах их воспроизведения, процедурах и требованиях к оформлению.