Например, Бобцов

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СООСНОСТИ ОТВЕРСТИЙ В КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЯХ МАШИН

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

УДК 629.488.27

Ю. А. КАРАКУЛЕВ
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СООСНОСТИ ОТВЕРСТИЙ В КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЯХ МАШИН

Представлен статистический анализ результатов, получаемых при контроле соосности отверстий в корпусных деталях машин разными методами. Показано, что точность результатов измерений отклонений от соосности зависит от задания базы измерений — общей оси отверстий.

Ключевые слова: ось отверстия, измерительная база, статистический анализ.

Введение. Одним из важных параметров качества корпусных деталей машин является

соосность выполненных в них отверстий, поскольку этот параметр влияет на точность сборки

сопряжений и пространственное положение деталей и узлов в корпусе. Наличие недопусти-

мых отклонений от соосности затрудняет сборку и повышает износ деталей.

В соответствии с ГОСТ 24642-81 отклонение от соосности отверстий — есть расстояние

между осью проверяемого отверстия и общей осью. Эффективность контроля данного парамет-

ра зависит от положения общей (базовой) оси. В практических измерениях общую ось опреде-

ляют двумя методами: 1) как прямую, которая проходит через центры крайних отверстий;

2) как ось воображаемого цилиндра, в который вписаны оси всех измеренных отверстий.

Для оценки указанных методов была выбрана характерная корпусная деталь машин —

блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания. В настоящей статье рассмотрены результа-

ты теоретических исследований и натурных измерений отклонения от соосности отверстий

под коренные подшипники блока цилиндров (далее — отверстия).

Описание принципа измерений и анализ полученных результатов. В ходе экспери-

ментов измерялись отверстия блоков цилиндров двигателей Ярославского моторного заво-

да — по пять отверстий диаметром 116 мм. Измерения проводились визирным методом с по-

мощью оптических средств, достаточно подробно описанных в работе [1]. Количество под-

лежащих измерению блоков цилиндров определялось исходя из требуемой точности ε = 0,01 мм и

надежности (доверительной вероятности α = 0,99) статистических оценок характеристик рас-

пределения исследуемых величин. Согласно расчету необходимый размер выборки составил

62 блока цилиндров. Было измерено 70 блоков цилиндров. После получения 350 значений

проекций осей отверстий на две взаимно-перпендикулярные плоскости определялось откло-

нение от соосности относительно разных баз измерений.

Первый метод. В качестве общей оси отверстий принимается прямая a (рис. 1), которая

проводится через центры крайних 1-го и 5-го отверстий. Использование этой базы упрощает

технологию измерений и обработку результатов. Отклонение от соосности для одной проек-

ции (например, у) определяется выражением

∆ = y1 + (y5 – y1)li ⁄ l5 – yi ,

(1)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 7

Статистический анализ методов контроля соосности отверстий

63

где y1 , y5 , yi — отсчеты для 1-го, 5-го (последнего) и i-го (проверяемого) отверстия; l5, li — расстояние соответственно между крайними 1-м и 5-м отверстиями, между 1-м и i-м отвер-
стиями.

О ∆ О′

Ki a b

y 1

23

45

z

Рис. 1

В данном случае наблюдается смещение и наклон общей оси относительно линии визи-

рования ΟΟ′, от которой производится отсчет положения осей отверстий. Смещение прямой

a не влияет на измерение отклонения от соосности, поскольку эта погрешность компенсируется

при определении величины отклонения через разность одноименных координат. Наклон пря-

мой a вызывает методическую погрешность δ определения отклонения от соосности, при

этом погрешность увеличивается пропорционально углу наклона β, образованному общей

осью и линией визирования ΟΟ′:

δ = yi (1 – cosβ).

(2)

Расчет по формуле (2) с учетом допустимого значения отклонения от соосности отвер-

стий Т = 0,025 мм показал, что относительная величина погрешности составляет 0,023 %, т.е.

практически равна нулю, однако в действи- Р

тельности она значительно больше. Согласно экспериментальным данным наибольшая раз-

0,25

ность отсчетов между первым и последним от- 0,2

верстием составляет 0,48 мм, а в среднем — 0,16 мм, при этом методическая погрешность

0,15

соответственно равна 0,44 и 0,15 %.

0,1

Результаты экспериментального определения отклонений от соосности отверстий с

0,05

выполнением расчетов по формуле (1) показа- 0

ны на рис. 2. Как видно из графика, распреде-

5

q а
20 Т 40

b 60 80 ∆, мкм

ление плотности вероятности (Р) измеренных

Рис. 2

значений отклонения от соосности (кривая a) подчиняется закону распределения Максвелла

(эксцентриситета):

{ ( )}ϕ(∆)

=

∆ 2σ12

exp

−∆2

2σ12

,

где σ1 =27,3 — среднее квадратическое отклонение (СКО) измеренных значений ∆.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 7

64 Ю. А. Каракулев

Это также подтверждается аналитически двумя способами: 1) путем вычисления вероятности критерия согласия Q(χ2) = 0,14, что больше принятого уровня значимости, равного

0,05; 2) путем вычисления отношения среднего квадратического отклонения и математиче-

ского ожидания: σ1/М=27,3/51,9=0,53. Для определения значимости найденных статистических характеристик закона распре-

деления (среднего квадратического отклонения S, математического ожидания Ā, коэффициента

вариации V) рассчитаны их погрешности: σS = 1,4 мкм, σĀ = 4,0 мкм, σV = 4,5 %, которые подтверждают достаточную точность параметров распределения.

Полученные данные позволяют прогнозировать точность результатов измерения рас-

сматриваемого параметра для партии блоков цилиндров, поступающих на сборку. Точность

партии блоков определялась по вероятной доле брака q, для чего были вычислены коэффици-

енты точности R и смещения L (R=T/6σ1; L = (Ā – A0)/T, где A0 — координата середины поля допуска). Интерполяцией полученных значений R и L по таблице значений интегрального за-

кона нормального распределения [2] было установлено, что q = 0,61. Это означает, что почти

две трети блоков цилиндров явно не отвечают техническим условиям.

Второй метод обработки результатов измерений отклонения от соосности отверстий

основан на использовании выравнивающей прямой b (см. рис. 1) в качестве базы измерений.

Чтобы найти отклонение от соосности i-го отверстия относительно общей оси, необходимо

вычислить расстояние от точки Ki, принадлежащей оси i-го отверстия, до прямой b:

∆ = (xb − xi + mt)2 + ( yb − yi + nt)2 + ( pt − zi )2 ,

(3)

где xb, yb, xi, yi, zi — координаты некоторой точки, принадлежащей прямой b; m, n, p — координаты направляющего вектора Е этой прямой; t — параметр, учитывающий относительный

наклон оси.

Формула (3) позволяет получить абсолютное значение отклонения от соосности отверстий.

В соответствии с этой формулой была проведена обработка данных измерения значения ∆. Ре-

зультаты обработки приведены на рис. 2, кривая b. Характер кривой и рассчитанные стати-

стические параметры показывают, что распределение плотности вероятности значений ∆, так

же как и в первом случае, подчиняется закону Максвелла. При этом СКО σ2 = 16,0 мкм. Аналогично первому методу была определена вероятная доля брака q, равная в данном случае

0,53. Это означает, что для половины партии блоков цилиндров значения отклонения от со-

осности превышают допустимые.

Сравнительный анализ результатов измерений позволил установить, что доля дефект-

ных по параметру „соосность отверстий“ блоков цилиндров, определенная с использованием

первого метода, завышена на 8,0 % относительно вычисленной по второму методу. Это озна-

чает, что для типового ремонтного производства двигателей внутреннего сгорания (2,5 тыс.

ремонтов в год) правильно организованный контроль позволяет сэкономить затраты на вос-

становление соосности у 200 блоков цилиндров.

Заключение. Использование общей оси как прямой, проходящей через центры крайних

отверстий, в качестве базы для контроля соосности отверстий, несмотря на несложность из-

готовления измерительных средств (скалки, фальшвалы с оправками) и относительную про-

стоту вычислительных операций, приводит к методической погрешности, которая искажает

результаты измерений (более 0,4 % в проведенном эксперименте). При этом методе контроля

количество дефектных по данному параметру корпусных деталей оказывается завышенным.

Определение отклонения от соосности относительно общей оси — прямой, аппрокси-

мирующей данные измерений всех контролируемых отверстий, — не сопровождается мето-

дической погрешностью и дает объективную оценку состояния корпусных деталей по данно-

му параметру. Возможность применения такого метода контроля основана на использовании

бесконтактных средств с оптическим преобразованием измеряемой величины.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 7

Формирование регулярных микрорельефов на поверхности твердых тел

65

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каракулев Ю. А. Измерение отклонения от соосности деталей в регулировочных клапанах турбин // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 2. С. 27—30.

2. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М.: Наука, 1986. 544 с.

Юрий Александрович Каракулев

Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный иссле-
довательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: yura1946@yandex.ru

Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов

Поступила в редакцию 26.04.11 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 7