Влияние геометрических параметров на качество изделий

Влияние геометрических параметров на качество изделий

Очевидно, что качество изделий в значительной степени обеспечивает изготовитель. Если изделие сделано плохо, оно плохо работает. Но если спроектировано морально устаревшее изделие, оно будет неконкурентоспособным на рынке даже при отличном качестве изготовления. Следовательно, уровень качества любого изделия в первую очередь определяет его разработчик. Но плохое производство способно существенно снизить уровень качества, а хорошее – всего лишь обеспечить заложенный проектировщиком уровень. Неправильное использование даже высококачественного изделия приведет к его быстрой поломке, и в таком случае, разговор о качестве теряет всякий смысл. В настоящее время особое внимание уделяют также утилизации изделий, поскольку опыт работы с такими объектами как атомные электростанции и атомные подводные лодки заставляет обращать внимание не только на эффективность функционирования, но и на угрозу загрязнения окружающей среды. Значит, качество изделия следует рассматривать на протяжении всего «жизненного цикла» от проектирования, через изготовление и эксплуатацию – до физической или моральной его «смерти» (рисунок 3.1).

«Жизненный цикл» изделия строится с учетом не только прямых связей (качество сложного изделия закладывается при проектировании, обеспечивается в ходе производства, реализуется при эксплуатации), но и обратных связей, которые используются для корректирования требований, обеспечивающих приемлемый уровень качества объекта.

При разработке изделия определенный уровень качества закладывается еще на этапе подготовки технического задания.

Качество любого объекта (проекта, изделия, процесса) можно оценить, и на основе этой оценки сравнить объекты одинакового назначения. Качество изделия является наиболее общим его свойством и складывается из таких свойств как мощность, производительность, коэффициент полезного действия, надежность, эргономичность и др. В свою очередь, эти свойства могут быть более или менее сложными. Например, надежность изделия включает в себя его безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. А такие свойства, как масса, отдельные габаритные размеры изделия являются простейшими и не разлагаются на составляющие элементы.

Простые свойства, которые могут быть выражены числовыми значениями физических величин: масса, длина, твердость и др. далее будут называться параметрами. Функциональные параметры элементов изделия — это параметры, определяющие уровень его эксплуатационных показателей. К ним могут быть отнесены геометрические, физико-механические, электрические, магнитные и другие.

Номенклатура функциональных параметров зависит от назначения изделия, его состава, конструкции и работы. Например, вращающий момент двигателя внутреннего сгорания зависит от объема камеры сгорания, давления при сгорании смеси, а также от площади зазоров в системе цилиндр-кольцо-поршень. От твердости рабочих поверхностей уплотнительных колец и стенок цилиндра зависит их износостойкость, следовательно, и долговечность двигателя. Эксплуатационные показатели, определяющие качество изделий, зависят в значительной степени от геометрических параметров деталей. Для нормальной работы соединений деталей (сопряжений) и изделия в целом необходимо обеспечить требуемую точность размеров, формы и расположения поверхностей, а также параметры их микрогеометрии (шероховатости).

Поверхность шарика в пишущем узле стержня шариковой ручки должна быть достаточно правильной (сферической), чтобы шарик свободно вращался в «гнезде», а соотношения размеров деталей сферического сопряжения должны обеспечивать зазор для выхода красящей пасты. Причем, слишком маленький зазор приведет к заклиниванию при письме, а слишком большой – к свободному вытеканию пасты.

Всем известны шарнирные соединения, используемые для открывания-закрывания дверей. Слишком малый зазор в шарнире затруднит поворот двери, а слишком большой не позволит двери стать на место при ее закрывании. Кроме того, при двух шарнирных соединениях и большем их числе должно быть согласовано расположение шарниров.

Для большинства деталей необходимо соблюдать требуемую точность не только по геометрическим параметрам. Например, наиболее важные детали оптико-механического прибора (микроскопа, фотоаппарата, бинокля) изготавливаются из стекла или пластмасс, и для них весьма существенны оптические свойства материала. Точность размеров оптических деталей (радиусы и толщина линз, углы и толщина призм, правильность формы и расположения сферических и плоских поверхностей линз и зеркал, параметры микрогеометрии рабочих поверхностей и т.д.) также будет влиять на качество собранного изделия.

Из примеров видно, что геометрические параметры влияют на качество любого изделия вне зависимости от сферы его применения и целевого назначения.

Стандартизация параметров

Множество современных технических изделий работает на автономном электрическом питании от батареек. Батарейки вставляют в часы, фотоаппараты, фонари, игрушки, причем вставить новую батарейку часто может сам пользователь. Замена батарей возможна благодаря тому, что во всем мире изготовители и пользователи придерживаются одинаковых норм – стандартов – на их геометрические размеры и напряжение. Весь мир пользуется фотографической пленкой стандартных размеров, то же можно сказать о магнитных пленках для аудио- и видеоаппаратуры, дискетах и компакт-дисках.

Если компакт диски можно читать на любых дисководах, их можно считать взаимозаменяемыми. Взаимозаменяемость однородных изделий означает «одинаковость» их основных параметров. Но единообразие подхода к нормированию параметров не исключает возможности разработки и выпуска различающихся изделий одного назначения, например, уже упоминавшихся батареек и более сложных изделий – фотоаппаратов, часов, принтеров.

Для того чтобы запустить изделия в серийное и массовое производство, техническая документация на них должна содержать жестко нормированные значения основных функциональных параметров. Чтобы разбросы параметров, неизбежно возникающие при изготовлении элементов, не оказывали существенного влияния на работу изделия, их ограничивают определенными нормами. Параметры могут быть ограничены с одной стороны (сверху или снизу), но наиболее жестко определяет параметр двухстороннее ограничение. Нормы допустимого рассеяния параметров при двухстороннем (двухпредельном) ограничении называют допусками. Необходимость разнообразных параметров (по видам и по функциональному назначению) требует применения допусков разной точности.

Чем уже назначенный диапазон рассеяния параметра (допуск), тем дороже обходится его достижение (см. рисунок 2, модуль «Введение»), поэтому избыточные требования к точности неоправданно удорожают изделие. Но с другой стороны, заниженные требования к точности параметров делают изделие неработоспособным. Поскольку относительная стоимость деталей экспоненциально возрастает с повышением точности обработки, особо внимательно следует относиться к назначению высокоточных допусков.

Соблюдение одинаковых номинальных значений параметров и единообразия норм их рассеяния обеспечивает взаимозаменяемость изделий. Номинальные значения параметров могут быть зафиксированы в стандартах, например, в виде рядов предпочтительных чисел, а для геометрических параметров – в виде рядов нормальных линейных размеров, нормальных углов, уклонов и конусностей.

Изделия будут взаимозаменяемыми только в том случае, если на одинаковые номинальные значения параметров будут назначены одинаковые допуски и реальные значения параметров будут соответствовать установленным требованиям.

Влияние геометрических параметров на качество изделий

Очевидно, что качество изделий в значительной степени обеспечивает изготовитель. Если изделие сделано плохо, оно плохо работает. Но если спроектировано морально устаревшее изделие, оно будет неконкурентоспособным на рынке даже при отличном качестве изготовления. Следовательно, уровень качества любого изделия в первую очередь определяет его разработчик. Но плохое производство способно существенно снизить уровень качества, а хорошее – всего лишь обеспечить заложенный проектировщиком уровень. Неправильное использование даже высококачественного изделия приведет к его быстрой поломке, и в таком случае, разговор о качестве теряет всякий смысл. В настоящее время особое внимание уделяют также утилизации изделий, поскольку опыт работы с такими объектами как атомные электростанции и атомные подводные лодки заставляет обращать внимание не только на эффективность функционирования, но и на угрозу загрязнения окружающей среды. Значит, качество изделия следует рассматривать на протяжении всего «жизненного цикла» от проектирования, через изготовление и эксплуатацию – до физической или моральной его «смерти» (рисунок 3.1).

«Жизненный цикл» изделия строится с учетом не только прямых связей (качество сложного изделия закладывается при проектировании, обеспечивается в ходе производства, реализуется при эксплуатации), но и обратных связей, которые используются для корректирования требований, обеспечивающих приемлемый уровень качества объекта.

При разработке изделия определенный уровень качества закладывается еще на этапе подготовки технического задания.

Качество любого объекта (проекта, изделия, процесса) можно оценить, и на основе этой оценки сравнить объекты одинакового назначения. Качество изделия является наиболее общим его свойством и складывается из таких свойств как мощность, производительность, коэффициент полезного действия, надежность, эргономичность и др. В свою очередь, эти свойства могут быть более или менее сложными. Например, надежность изделия включает в себя его безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. А такие свойства, как масса, отдельные габаритные размеры изделия являются простейшими и не разлагаются на составляющие элементы.

Простые свойства, которые могут быть выражены числовыми значениями физических величин: масса, длина, твердость и др. далее будут называться параметрами. Функциональные параметры элементов изделия — это параметры, определяющие уровень его эксплуатационных показателей. К ним могут быть отнесены геометрические, физико-механические, электрические, магнитные и другие.

Номенклатура функциональных параметров зависит от назначения изделия, его состава, конструкции и работы. Например, вращающий момент двигателя внутреннего сгорания зависит от объема камеры сгорания, давления при сгорании смеси, а также от площади зазоров в системе цилиндр-кольцо-поршень. От твердости рабочих поверхностей уплотнительных колец и стенок цилиндра зависит их износостойкость, следовательно, и долговечность двигателя. Эксплуатационные показатели, определяющие качество изделий, зависят в значительной степени от геометрических параметров деталей. Для нормальной работы соединений деталей (сопряжений) и изделия в целом необходимо обеспечить требуемую точность размеров, формы и расположения поверхностей, а также параметры их микрогеометрии (шероховатости).

Поверхность шарика в пишущем узле стержня шариковой ручки должна быть достаточно правильной (сферической), чтобы шарик свободно вращался в «гнезде», а соотношения размеров деталей сферического сопряжения должны обеспечивать зазор для выхода красящей пасты. Причем, слишком маленький зазор приведет к заклиниванию при письме, а слишком большой – к свободному вытеканию пасты.

Всем известны шарнирные соединения, используемые для открывания-закрывания дверей. Слишком малый зазор в шарнире затруднит поворот двери, а слишком большой не позволит двери стать на место при ее закрывании. Кроме того, при двух шарнирных соединениях и большем их числе должно быть согласовано расположение шарниров.

Для большинства деталей необходимо соблюдать требуемую точность не только по геометрическим параметрам. Например, наиболее важные детали оптико-механического прибора (микроскопа, фотоаппарата, бинокля) изготавливаются из стекла или пластмасс, и для них весьма существенны оптические свойства материала. Точность размеров оптических деталей (радиусы и толщина линз, углы и толщина призм, правильность формы и расположения сферических и плоских поверхностей линз и зеркал, параметры микрогеометрии рабочих поверхностей и т.д.) также будет влиять на качество собранного изделия.

Из примеров видно, что геометрические параметры влияют на качество любого изделия вне зависимости от сферы его применения и целевого назначения.

Стандартизация параметров

Множество современных технических изделий работает на автономном электрическом питании от батареек. Батарейки вставляют в часы, фотоаппараты, фонари, игрушки, причем вставить новую батарейку часто может сам пользователь. Замена батарей возможна благодаря тому, что во всем мире изготовители и пользователи придерживаются одинаковых норм – стандартов – на их геометрические размеры и напряжение. Весь мир пользуется фотографической пленкой стандартных размеров, то же можно сказать о магнитных пленках для аудио- и видеоаппаратуры, дискетах и компакт-дисках.

Если компакт диски можно читать на любых дисководах, их можно считать взаимозаменяемыми. Взаимозаменяемость однородных изделий означает «одинаковость» их основных параметров. Но единообразие подхода к нормированию параметров не исключает возможности разработки и выпуска различающихся изделий одного назначения, например, уже упоминавшихся батареек и более сложных изделий – фотоаппаратов, часов, принтеров.

Для того чтобы запустить изделия в серийное и массовое производство, техническая документация на них должна содержать жестко нормированные значения основных функциональных параметров. Чтобы разбросы параметров, неизбежно возникающие при изготовлении элементов, не оказывали существенного влияния на работу изделия, их ограничивают определенными нормами. Параметры могут быть ограничены с одной стороны (сверху или снизу), но наиболее жестко определяет параметр двухстороннее ограничение. Нормы допустимого рассеяния параметров при двухстороннем (двухпредельном) ограничении называют допусками. Необходимость разнообразных параметров (по видам и по функциональному назначению) требует применения допусков разной точности.

Чем уже назначенный диапазон рассеяния параметра (допуск), тем дороже обходится его достижение (см. рисунок 2, модуль «Введение»), поэтому избыточные требования к точности неоправданно удорожают изделие. Но с другой стороны, заниженные требования к точности параметров делают изделие неработоспособным. Поскольку относительная стоимость деталей экспоненциально возрастает с повышением точности обработки, особо внимательно следует относиться к назначению высокоточных допусков.

Соблюдение одинаковых номинальных значений параметров и единообразия норм их рассеяния обеспечивает взаимозаменяемость изделий. Номинальные значения параметров могут быть зафиксированы в стандартах, например, в виде рядов предпочтительных чисел, а для геометрических параметров – в виде рядов нормальных линейных размеров, нормальных углов, уклонов и конусностей.

Изделия будут взаимозаменяемыми только в том случае, если на одинаковые номинальные значения параметров будут назначены одинаковые допуски и реальные значения параметров будут соответствовать установленным требованиям.