CC BY
456
ИЗМЕРЕНИЕ НЕКРУГЛОСТИ ВАЛОВ
И.Д. Гебель, Б.П. Тимофеев, С.Ю. Млокосевич
В настоящее время на одно из первых мест среди актуальных проблем технической метрологии выдвинулась проблема контроля точности геометрической формы деталей машин. Если раньше в качестве основного, а зачастую и единственного точностного параметра поверхностей, образующих деталь, выступал размер, характеризующий или саму поверхность (например, диаметр цилиндра), или расстояние между двумя поверхностями (толщина, длина и т. п.), то по мере углубления исследований взаимодействия деталей в сопряжениях недостаточность размерной характеристики становилась все более и более очевидной. Выяснилось, что для износостойкости деталей, для точности, надежности и долговечности их соединений первостепенное значение имеют отклонения поверхностей от геометрически идеальной формы, которой они представляются на чертеже, в частности, отклонение от круглости [1, 2].
Например, некруглость подшипниковых шеек валов в значительной мере определяет качество работы любого подшипника скольжения или качения (вибрация, шум, нагрев, момент сопротивления вращению), интенсивность его износа и срок службы. В частности, для подшипников качения это вызвано тем, что внутреннее кольцо практически полностью повторяет форму поверхности, на которую оно напрессовано. Вызванная некруглостью шейки деформация кольца приводит к возникновению дополнительных циклических напряжений в телах качения (шариках или роликах). Эти нагрузки вызывают ускоренный износ, а иногда и разрушение подшипника. В связи с этим большинство производителей подшипников (SKF, FAG и др.) рекомендуют обеспечивать допуск формы посадочных шеек на 1-2 класса IT выше допуска на диаметр. Например, для шеек диаметром до 400 мм отклонение от круглости не должно превышать 1-12 мкм. Вызванный техническим прогрессом постоянный рост скорости работы машин и нагрузок на подшипниках привлекает все большее внимание к этой проблеме.
От круглости каландровых и прокатных валов в огромной степени зависит качество производимой бумаги, фольги и листового проката. Допуски на отклонение формы таких деталей часто лежат в диапазоне 2-10 мкм при диаметрах до 2000 мм и длинах до 10000 мм [3-5].
Особое значение имеет некруглость посадочных поверхностей авиационных роторов и высокооборотных турбин. Даже незначительные отклонения от номинальной формы приводят к ограничению максимальной рабочей скорости и снижению КПД. Отклонение от круглости роторов вертолетов может стать причиной аварии и гибели людей.
Также важна круглость и для многих других видов деталей и узлов (шейки коленвалов, поршневые пальцы, коллекторы электродвигателей и пр.).
Существует несколько общепринятых методов измерения геометрической формы валов - измерения по образцовой поверхности, измерения при прецизионном вращении, разностные измерения [1, 6-9].
Измерения по образцовой поверхности заключаются в сравнении детали с подобной ей образцовой, погрешности формы которой настолько малы по сравнению с допустимой погрешностью измерения, что ими можно пренебречь. Примером может служить измерение формы вала, когда на его концах установлены два кольца, отклонения от круглости которых пренебрежимо малы. Измерения производятся при помощи трех датчиков. Два установлены на образцовые кольца и позволяют замерить траекторию движения вала в процессе измерения. Один датчик перемещается вдоль
вращающегося вала. Показания датчиков определенным образом суммируются, в результате чего удается исключить колебания оси вращения в пространстве.
К проверке по образцовой поверхности можно отнести также способ контроля "на краску". Проверка "на краску" возможна лишь в том случае, если размеры поверяемой и образцовой поверхности одинаковы или очень близки. Примером может служить производство конусных калибров.
Измерения при прецизионном вращении - это самый точный и наиболее широко распространенный в настоящее время в промышленности метод измерения отклонения от круглости. Конструктивно он реализуется в трех вариантах: кругломеры с прецизионным шпинделем, с центрами и со сферическими опорами. Сущность способа прецизионного вращения сводится к тому, что создается независимая от проверяемой поверхности система, одна из деталей которой (или группа деталей) может совершать вращательное движение. Конструкция системы такова, что вращающаяся деталь практически имеет лишь одну степень свободы - возможность поворота вокруг некоторой оси. Тогда траектория любой точки вращающегося элемента будет являться кривой, которая может быть принята за образцовую окружность. Аналогично, если рассмотреть обращенный вариант, то образцовой окружностью будет траектория любой точки пространства, неподвижной относительно вращающегося узла. Чтобы сопоставить профиль проверяемой поверхности с этой окружностью, нужно сцентрировать деталь относительно оси вращения и обкатать ее измерительной головкой, чувствительной к малым линейным перемещениям. При движении головки относительно детали колебания радиуса (т.е. отклонение от круглости) последней вызывают перемещения наконечника измерительной головки, которые преобразуются в электрический сигнал, используемый после усиления и преобразования для управлением регистрирующим прибором. У каждого метода есть свои достоинства и недостатки.
Измерение отклонения от круглости в центрах является одним из вариантов контроля способом прецизионного вращения. Независимая от проверяемой поверхности система, обеспечивающая вращение, может быть представлена опорными центрами прибора и центровыми гнездами детали. Конструктивно такая система очень проста, но технологически выполнить ее с высокой степенью точности сложно, тем более, что один из основных компонентов - центровые отверстия детали - не является стационарной частью прибора, а принадлежит проверяемой детали и меняется при ее замене. Погрешность вращения в центрах зависит от ошибок формы и взаимного расположения центровых гнезд самой проверяемой детали, центров прибора, на которые она устанавливается при проверке, и центров станка, использовавшегося для окончательной обработки детали. Отдельные звенья этой системы поверхностей выполняются независимо друг от друга, так что точность их сопряжения технологически не обеспечивается. При измерении отклонения от круглости одной и той же детали на нескольких центровых приборах результаты часто расходятся на 1,52 мкм. Поэтому обычная проверка в центрах используется лишь для ориентировочной оценки отклонений формы или при контроле деталей грубых квалитетов.
Более высокую точность вращения получают при использовании так называемых "шариковых центров". В этом случае и деталь, и центры прибора имеют центровые гнезда, между которыми закладываются точные шары. Диаметр шаров выбирается так, чтобы контакт между шаром и центровым гнездом осуществлялся не по фаске, а по конической поверхности последнего. Желательно использовать одни и те же шары и при окончательном шлифовании, и при проверке детали.
Дальнейшее повышение точности достигается переходом к вращению детали в сферических опорах. Качественное отличие этого способа от традиционных проверок в центрах заключается в том, что центровые гнезда детали полностью исключаются из
системы поверхностей, обеспечивающих ее вращение. Концы детали жестко закрепляются в патронах, каждый из которых связан с подвижным элементом соответствующей сферической опоры. Последние выполняются в виде шара и внутренней полусферы, притертых в паре и снабженных системой канавок для подачи смазки. Обе опоры замыкаются в единую систему через проверяемую деталь и обеспечивают прецизионное вращение последней относительно оси, проходящей через центры сфер. Центрирующие механизмы, встраиваемые в патроны, позволяют совместить ось детали с осью вращения. Сопрягаемые поверхности опор могут быть изготовлены с очень высокой точностью и способны выдерживать большие нагрузки, поэтому данный способ удобен при прецизионном контроле крупногабаритных тяжелых валов. Как и при измерении в центрах, оптимальным является вертикальное расположение оси проверяемой детали. Вертикальная компоновка снижает деформации, обусловленные собственной массой детали и влияющие на точность измерения.
Отдельно можно выделить так называемые разностные измерения. Термин "разностные" отражает основную характерную особенность рассматриваемых измерений: в каждый данный момент измеряется не абсолютное значение интересующей нас функции, а разность между ее последовательными значениями, разделенными определенным промежутком. Различные схемы разностных измерений приведены, например, в [9-10].
Выбор конкретной схемы для измерения - отдельная задача.
Основная особенность разностных измерений состоит в следующем. Если считать, что профиль детали является периодической кривой синусоидальной формы, причем на окружности укладывается п периодов отклонений, то показания прибора А будут связаны со значением отклонения от круглости Аг уравнением [1]
А = |ДпА г, (1)
где |п - коэффициент пропорциональности, называемый обычно "коэффициентом воспроизведения",
1п = Я а,в,п), (2)
где а - угол, характеризующий положение измерительного наконечника прибора, в -угол призмы [11].
Каждый конкретный прибор с фиксированными значениями а и в имеет разные коэффициенты воспроизведения для разных гармонических составляющих отклонений формы профиля проверяемой детали. Поскольку обычно профиль детали не является геометрически правильной фигурой, а представляет собой сумму различных гармоник, отличающихся друг от друга периодами, амплитудами и начальными фазами, установление зависимости между А и Аг - сложная математическая задача, и по непосредственным результатам проверки на двух- или трехконтактном приборе судить об отклонении от круглости детали можно лишь весьма приближенно.
На базе призматических приборов в настоящее время создано несколько моделей кругломеров, которые можно отнести к отдельной группе. Это приборы с многоступенчатыми самоустанавливающимися опорами, многодатчиковые приборы, приборы с комбинированными призмами. Следует отметить, что первые два прибора являются отечественными разработками, не имеющими аналогов за рубежом. Возможности данных приборов заслуживают отдельного внимания.
Наиболее трудоемким и дорогостоящим является способ измерения при прецизионном вращении с использованием прецизионного шпинделя. Однако данный способ обладает наиболее широким спектром метрологических возможностей. Измерения в центрах - наиболее простой способ, однако применим лишь в некоторых случаях и имеет ограничения по точности. Промежуточное положение по трудоемкости
процесса измерения занимают измерения на призмах. Трудоемкость измерения при использовании эталонной детали зависит от конкретной реализации способа.
Измерения на модифицированных призмах относительно просты. Точность данных приборов достаточно высока. Метрологические возможности ниже, чем возможности кругломеров с прецизионным шпинделем, но ограничения эти относятся в основном к измерению отклонения от цилиндричности, отклонения формы профиля продольного сечения и проч.
Использование дополнительной математической обработки позволяет повысить точность всех способов и расширить метрологические возможности приборов.
В цеховых условиях использование приборов с прецизионным шпинделем затруднено. Высокоточные узлы шпинделя чрезвычайно чувствительны к вибрациям, колебаниям температуры, попаданию пыли, скачкам напряжения и т. д.
Призмы различных конструкций могут использоваться для приемочного контроля, т.е. для определения выхода или невыхода значения отклонения от круглости за пределы допуска. Для точного определения некруглости использовать призмы невозможно из-за наличия "мертвых зон" полосы пропускания.
Измерения в центрах - наиболее простой способ, который можно использовать при приемке даже в цеховых условиях. Однако информативность и точность данного способа (при использовании только датчика линейных перемещений, без проведения дополнительной обработки результата), как и в случае с призмами, оставляет желать лучшего.
Измерения по эталонной детали являются достаточно узко специализированными, поэтому однозначно охарактеризовать их достаточно сложно.
Использование модифицированных призм возможно в цеховых условиях непосредственно на станке как для приемочного контроля (годен/негоден), так и для измерения в процессе обработки.
Крупногабаритные детали измерять на прецизионном шпинделе практически невозможно. Оптимальным в этом случае является использование модифицированных призм.
Существующая в настоящее время нормативная документация не дает однозначного ответа по многим вопросам, связанным с некруглостью. Это относится и к выбору базового элемента при измерении, и к разделению шероховатости, волнистости и отклонения формы, и ко многому другому. Нет единообразного подхода к определению некруглости валов и отверстий. Нормирование отклонения от круглости производится для крайне узкого круга деталей. Важность того или иного компонента отклонения формы поперечного сечения недостаточно обоснована. Нет работ, выявляющих технологические аспекты возникновения того или иного вида отклонения формы поперечного сечения.
Для полноценного выбора, нормирования параметров геометрической точности необходимо представлять себе взаимосвязь технологии изготовления и геометрии поверхности, а далее - геометрии и функциональных качеств в ходе работы. Выделение какого-либо компонента из данного списка не позволит добиться качественной, долговечной работы узла или механизма. Только комплексный подход, учитывающий взаимосвязь отдельного параметра точности формы и работы узла на всех этапах рабочего цикла механизма, может обеспечить необходимый уровень качества.
Литература
1. Авдулов А.Н. Контроль и оценка круглости деталей машин. М.: Издательство стандартов, 1974. 176 с.
2. Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и ее измерение. М.: Издательство стандартов, 1973. 184 с.
3. Рубинов А.Д. Контроль больших размеров в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1982. 120 с.
4. Гебель И.Д. Выбор базовой окружности при измерении формы профиля тел вращения. // Измерительная техника. 1973. №10.
5. Гебель И.Д., Хроленко В.Ф., Кушнер Г.Ф., Виленский Э.Н. Прибор для измерения некруглости каландровых валов. // Бумагоделательное машиностроение. 1975. XXI.
6. ГОСТ 24642-81 (СТ СЭВ 301-76). Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения.
7. ГОСТ 8.481-82. Кругломеры. Методы и средства поверки.
8. ГОСТ 17353-89. Приборы для измерений отклонений формы и расположения поверхностей вращения. Типы, общие технические требования.
9. ISO 4292-1985 E. Methods for the assessment of departure from roundness -Measurement by two- and three-point methods.
10. ISO 4291-1985 E. Methods for the assessment of departure from roundness -Measurement of variations in radius.
11. ИСО 6318-1985 Р. Методы контроля круглости - термины, определения и параметры круглости.
