допуски и посадки

Допуски формы и расположения поверхностей

Введение

Геометрические допуски формы и расположения являются важнейшей составляющей системы технических требований к геометрическим характеристикам изделий. Они обеспечивают функциональность деталей и узлов машин, определяя допустимые отклонения реальной геометрии от идеальной. В отличие от размерных допусков, геометрические допуски контролируют качество формы поверхностей и взаимное расположение элементов детали.

Основные понятия и определения

Номинальная геометрия

Номинальная геометрия — это идеальная геометрия детали, определенная чертежом без учета допусков. Включает:

Номинальные размеры
Идеальную форму поверхностей
Теоретически точное расположение элементов

Реальная геометрия

Реальная геометрия — это геометрия реально изготовленной детали, которая всегда отличается от номинальной вследствие погрешностей изготовления.

Прилегающие элементы

Прилегающая прямая — прямая, соприкасающаяся с реальным профилем и расположенная вне материала детали так, что отклонение любой точки профиля от неё не превышает значения допуска формы.

Прилегающая плоскость — плоскость, соприкасающаяся с реальной поверхностью и расположенная вне материала детали.

Прилегающая окружность — окружность минимального диаметра, описанная вокруг реального профиля (для наружных поверхностей) или максимального диаметра, вписанная в реальный профиль (для внутренних поверхностей).

Базы и системы баз

База — элемент детали (поверхность, ось, плоскость симметрии), определяющий одну из плоскостей или осей системы координат, к которой относятся допуски расположения других элементов.

Система баз — совокупность трех баз, образующих систему координат, относительно которой задается расположение нормируемых элементов.

Классификация геометрических допусков

Допуски формы

Определяют допустимые отклонения формы реальных элементов от их номинальной формы.

Допуски расположения

Определяют допустимые отклонения расположения реальных элементов относительно их номинального расположения.

Суммарные допуски формы и расположения

Одновременно ограничивают отклонения формы и расположения рассматриваемых элементов.

Допуски формы

Допуск прямолинейности

Ограничивает отклонения реального профиля (образующей поверхности) или оси от номинальной прямой линии.

Обозначение: ⏤ Поле допуска: область между двумя параллельными прямыми, отстоящими друг от друга на расстояние, равное значению допуска.

Применение:

Направляющие станков
Оси валов
Кромки линеек и угольников
Призматические направляющие

Методы контроля:

Поверочная линейка
Струна или натянутая проволока
Автоколлиматор
Координатно-измерительные машины

Допуск плоскостности

Ограничивает отклонения реальной поверхности от номинальной плоскости.

Обозначение: ◊ Поле допуска: область между двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на расстояние, равное значению допуска.

Применение:

Базовые поверхности станин
Поверхности фланцев
Установочные площадки
Направляющие поверхности

Методы контроля:

Поверочная плита с индикатором
Интерферометры
Автоколлиматор с поворотным столом
Лазерные измерительные системы

Допуск круглости (цилиндричности в сечении)

Ограничивает отклонения реального профиля от окружности в сечении, перпендикулярном оси.

Обозначение: ○ Поле допуска: кольцевая область между двумя концентрическими окружностями, разность радиусов которых равна значению допуска.

Применение:

Шейки валов
Отверстия под подшипники
Поршни двигателей
Цилиндрические калибры

Методы контроля:

Круглограф
V-образные призмы с индикатором
Центры с индикатором
Координатно-измерительные машины

Допуск цилиндричности

Ограничивает отклонения реальной цилиндрической поверхности от номинального цилиндра.

Обозначение: ○/ Поле допуска: цилиндрическая область, ограниченная двумя соосными цилиндрами, разность радиусов которых равна значению допуска.

Применение:

Прецизионные валы
Цилиндры гидроаппаратуры
Направляющие втулки
Измерительные оправки

Допуск профиля продольного сечения

Ограничивает отклонения реального профиля от номинального в заданном направлении.

Обозначение: ⌒ Поле допуска: область между двумя эквидистантными линиями, отстоящими друг от друга на расстояние, равное значению допуска, и охватывающими номинальный профиль.

Допуски расположения

Допуск параллельности

Ограничивает отклонения от параллельности рассматриваемого элемента относительно базового элемента.

Обозначение: ∥ Поле допуска:

Для прямых: область между двумя параллельными прямыми
Для плоскостей: область между двумя параллельными плоскостями
Для осей: цилиндрическая область (при указании ⌀)

Применение:

Направляющие станков
Посадочные поверхности корпусов
Оси отверстий в многошпиндельных головках
Торцы ступенчатых валов

Допуск перпендикулярности

Ограничивает отклонения от перпендикулярности рассматриваемого элемента относительно базового элемента.

Обозначение: ⊥ Поле допуска: аналогично допуску параллельности, но плоскости или прямые перпендикулярны базе.

Применение:

Торцы валов относительно осей
Оси отверстий относительно базовых плоскостей
Установочные поверхности корпусов
Направляющие пазы

Допуск наклона

Ограничивает отклонения от заданного угла между рассматриваемым и базовым элементами.

Обозначение: ∠ Поле допуска: область между двумя параллельными прямыми или плоскостями, наклоненными под номинальным углом к базе.

Применение:

Конические поверхности
Фаски
Клиновые соединения
Угловые направляющие

Допуск соосности

Ограничивает отклонения оси рассматриваемого элемента от оси базового элемента.

Обозначение: ◎ Поле допуска: цилиндрическая область, ось которой совпадает с осью базового элемента.

Применение:

Ступенчатые валы
Посадочные поверхности под подшипники
Центрирующие диаметры
Шпиндели станков

Допуск симметричности

Ограничивает отклонения плоскости симметрии рассматриваемого элемента от плоскости симметрии базового элемента.

Обозначение: ⌖ Поле допуска: область между двумя параллельными плоскостями, симметрично расположенными относительно плоскости симметрии базы.

Применение:

Шпоночные пазы
Элементы корпусных деталей
Профильные соединения
Элементы симметричных конструкций

Позиционный допуск

Ограничивает отклонения рассматриваемого элемента от его номинального расположения относительно базы или баз.

Обозначение: ⊕ Поле допуска:

Для осей отверстий: цилиндрическая область
Для плоскостей: область между двумя параллельными плоскостями
Для точек: сферическая или цилиндрическая область

Применение:

Системы отверстий в корпусных деталях
Координатные размеры
Крепежные отверстия
Элементы сложных конструкций

Суммарные допуски формы и расположения

Допуск радиального биения

Ограничивает отклонения формы и расположения поверхности в радиальном направлении относительно базовой оси.

Обозначение: ↗ Поле допуска: область между двумя окружностями в каждом сечении, перпендикулярном базовой оси.

Применение:

Шейки валов относительно центровых отверстий
Наружные поверхности деталей, обрабатываемых в центрах
Эксцентрики
Кулачки

Допуск торцового биения

Ограничивает отклонения формы и расположения поверхности в направлении, параллельном базовой оси.

Обозначение: ⤴ Поле допуска: область между двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными базовой оси.

Применение:

Торцы валов
Заплечики ступенчатых валов
Торцы дисков и колес
Установочные торцы

Допуск полного радиального биения

Ограничивает суммарные отклонения формы и расположения поверхности по всей её длине в радиальном направлении.

Обозначение: ↗↗ Поле допуска: цилиндрическая область, соосная с базовой осью.

Допуск полного торцового биения

Ограничивает суммарные отклонения формы и расположения поверхности по всей её площади в осевом направлении.

Обозначение: ⤴⤴ Поле допуска: область между двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными базовой оси.

Указание геометрических допусков на чертежах

Общие правила

Геометрические допуски указываются в прямоугольной рамке, разделенной на две или более частей
В первой части указывается символ вида допуска
Во второй части указывается числовое значение допуска в мм
В третьей части (при необходимости) указываются обозначения баз

Структура обозначения

┌─────┬──────┬─────┐
│ ○/ │ 0.02 │ A │
└─────┴──────┴─────┘

Связь с нормируемым элементом

Соединительная линия со стрелкой указывает на поверхность или её продолжение
Соединительная линия с точкой указывает на ось
Рамка может размещаться как продолжение размерной линии

Обозначение баз

Базы обозначаются прописными буквами в квадратных рамках
База указывается треугольником, закрашенным или незакрашенным
Для системы баз указывается несколько букв

Выбор геометрических допусков

Функциональный подход

При выборе геометрических допусков следует учитывать:

Функциональное назначение детали
Условия работы сопряжения
Требования к точности функционирования
Возможности технологии изготовления

Связь с размерными допусками

Принцип независимости — геометрические допуски назначаются независимо от размерных допусков и должны контролироваться отдельно.

Зависимые допуски — в некоторых случаях применяется принцип максимума материала (ММР) или минимума материала (LMC).

Рекомендуемые значения

Геометрические допуски обычно назначаются в диапазоне:

Для допусков формы: 0,3-0,6 от размерного допуска
Для допусков расположения: 0,6-1,0 от размерного допуска
Для биений: 1,0-1,5 от размерного допуска

Методы контроля геометрических допусков

Универсальные средства измерений

Индикаторы часового типа:

Контроль биений
Измерение отклонений формы
Проверка параллельности и перпендикулярности

Угольники и линейки:

Контроль прямолинейности
Проверка перпендикулярности
Измерение углов

Специальные средства измерений

Круглограф:

Измерение отклонений круглости
Контроль цилиндричности
Анализ профиля поверхности

Профилограф:

Измерение отклонений профиля
Контроль формы сложных поверхностей

Координатно-измерительные машины (КИМ)Преимущества КИМ:

Универсальность применения
Высокая точность измерений
Автоматизация процесса контроля
Возможность измерения сложных геометрий
Документирование результатов

Области применения КИМ:

Контроль позиционных допусков
Измерение формы свободных поверхностей
Проверка сложных систем баз
Анализ отклонений профиля

Технологическое обеспечение геометрических допусков

Методы обработки для обеспечения точности формы

Токарная обработка:

Отклонения круглости: 2-10 мкм
Отклонения цилиндричности: 5-20 мкм
Торцовое биение: 10-30 мкм

Шлифование:

Отклонения круглости: 0,5-2 мкм
Отклонения цилиндричности: 1-5 мкм
Отклонения прямолинейности: 1-3 мкм

Хонингование:

Отклонения цилиндричности: 1-3 мкм
Улучшение микрогеометрии поверхности

Технологические базы

Правильный выбор технологических баз обеспечивает:

Точность взаимного расположения элементов
Минимизацию погрешностей базирования
Стабильность размерных цепей

Контроль в процессе обработки

Активный контроль на станках
Статистическое регулирование процессов
Адаптивное управление по результатам измерений

Экономические аспекты

Влияние на себестоимость

Повышение точности геометрических параметров влияет на:

Выбор методов обработки
Необходимость дополнительных операций
Требования к оборудованию
Время контроля

Оптимизация требований

При назначении геометрических допусков следует:

Обосновывать требования функциональными потребностями
Учитывать технологические возможности
Анализировать соотношение "точность-стоимость"
Применять групповые методы обработки

Современные тенденции развития

Стандартизация

ISO-GPS (Geometrical Product Specifications):

Унификация системы обозначений
Четкое определение правил интерпретации
Международная гармонизация стандартов

Цифровые технологии

Цифровая метрология:

3D-сканирование поверхностей
Бесконтактные методы контроля
Интеграция с CAD-системами
Виртуальные измерения

Industry 4.0

Интеллектуальное производство:

Непрерывный мониторинг геометрических параметров
Предиктивная аналитика
Автоматическая корректировка процессов
Цифровые двойники изделий

Примеры практического применения

Автомобильная промышленность

Двигатели:

Цилиндричность гильз: ≤5 мкм
Перпендикулярность торца блока к осям цилиндров: ≤0,05 мм
Соосность коренных опор: ≤0,02 мм

Трансмиссия:

Соосность посадочных мест подшипников: ≤0,01 мм
Параллельность осей валов: ≤0,02 мм
Биение зубчатых венцов: ≤0,03 мм

Авиационная промышленность

Турбомашины:

Соосность дисков компрессора: ≤0,005 мм
Перпендикулярность торцов к оси: ≤0,01 мм
Профиль лопаток: ≤0,02 мм

Станкостроение

Шпиндельные узлы:

Биение шпинделя: ≤0,002 мм
Торцовое биение фланца: ≤0,003 мм
Соосность опор: ≤0,005 мм

Заключение

Геометрические допуски формы и расположения являются неотъемлемой частью современного машиностроения. Их правильное применение обеспечивает:

Функциональность изделий
Взаимозаменяемость деталей
Качество сборки узлов
Надежность конструкций
Экономическую эффективность производства

Успешное применение геометрических допусков требует:

Глубокого понимания принципов их назначения
Знания методов контроля
Учета технологических возможностей
Экономического обоснования требований

Развитие цифровых технологий и систем автоматизированного производства делает вопросы геометрического нормирования особенно актуальными, открывая новые возможности для повышения точности и качества изделий машиностроения.

Список литературы

ГОСТ 24643-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2001.
ГОСТ 24642-81 Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы и расположения поверхностей. Основные положения. — М.: Стандартинформ, 2001.
ГОСТ Р 53442-2015 Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Общие допуски. Допуски формы и расположения поверхностей, не имеющих индивидуальных указаний допусков. — М.: Стандартинформ, 2015.
ISO 1101:2017 Geometrical product specifications (GPS) — Geometrical tolerancing — Tolerances of form, orientation, location and run-out.
ISO 5459:2011 Geometrical product specifications (GPS) — Geometrical tolerancing — Datums and datum systems.
Безъязычный В.Ф., Непомилуев В.В., Прокопенко А.В. Основы технологии машиностроения: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 2013. — 598 с.
Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: Учебник для втузов. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 2007. — 352 с.
Мягков В.Д., Палей М.А., Романов А.Б., Брагинский В.А. Допуски и посадки: Справочник. В 2-х ч. — 7-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, 1982.
Басов К.А., Брагинский В.А., Земсков В.Д. Технологические основы обеспечения качества машин. — М.: Машиностроение, 1993. — 256 с.
Медунецкий В.М., Мягков В.Д., Прохоров А.Д. Точность обработки, заготовки и припуски в машиностроении: Справочник технолога. — М.: Машиностроение, 1976. — 288 с.
Anttila M. GPS from the Point of View of Standardization. — Helsinki University of Technology, 2003.
Meadows J.D. Geometric Dimensioning and Tolerancing: Applications, Analysis, Gauging and Measurement. — 2nd edition. — CRC Press, 2009. — 928 p.