Квалитеты точности, допуски и посадки. Точность осей, пальцев и штифтов.

Происхождение вопроса

Человек является единственным существом на Земле способным к творчеству и неограниченному преобразованию окружающего мира. Наличие рук, программируемого психического аппарата и воли даёт возможность целесообразно обрабатывать всё, до чего удаётся дотянуться. Для удовлетворения своих потребностей, как природных, так и выдуманных, люди стали изготавливать приспособления, механизмы, а затем и машины. Возникла целая отрасль человеческой деятельности, охватывающая их производство - машиностроение. В производительном труде выделилась область знаний, описывающая понимание умения что-то сделать - технология.

В русскоязычной Википедии говорят, что: "Технология (от др.-греч. τέχνη — искусство, мастерство, умение; λόγος — «слово», «мысль», «смысл», «понятие») — совокупность методов и инструментов для достижения желаемого результата; в широком смысле — применение научного знания для решения практических задач. Технология включает в себя способы работы, её режим, последовательность действий."

Усложнение удовлетворяющих человеческие потребности вспомогательных устройств привело к развитию технологий. Что, в свою очередь, вызвало необходимость увеличить точность изготовления соединений деталей этих устройств, а соответственно и повысить качество обработки сопрягаемых деталей.

Для различных деталей требовалась различная точность изготовления, обеспечиваемая разным качеством обработки поверхности детали. Одни сопрягаемые детали должны были сохранять подвижность после сборки, другие напротив, - плотно стопориться при соединении. Чтобы не подгонять каждую пару деталей непосредственно друг к другу в каждом из соединений, потребовалось назначить фиксированные степени точности - нужна была привязка к некоторой общепринятой "линейке" степеней точности, задающей набор стандартных промежутков отклонения размера "от и до" относительно заданной базовой величины. "Запад" был впереди планеты всей в области технологий, именно "Запад" создавал техносферу, поэтому именно там была разработана шкала допусков точности обработки сопрягаемых деталей, градуирующая допуски на наружные и внутренние размеры деталей. И поэтому для обозначений в ней использованы буквы латинского алфавита. Одновременно с допусками точности парных сопрягаемых деталей потребовалось разработать и градацию посадок, определяющую взаимоотношение размеров парных сопрягаемых деталей между собой. Впоследствии совокупность этих разработок была названа "Международная система допусков и посадок" и получила международную стандартизацию (ISA). Но кто и когда первоначально разработал эту шкалу и систему точно неизвестно. Переход стран на международную систему допусков и посадок начался в период 1932—1936 гг. В настоящее время в странах бывшего СССР, Болгарии и Монголии применяется как система ISA, так и система допусков и посадок разработанная в СССР на базе системы, называемой ОСТ, в остальных же странах мира применяется только международная система допусков и посадок ISA. 

Кстати, в начале 30-х годов ХХ века в Германии действовала собственная государственная система допусков и посадок DIN. Готовясь к объединению Европы в Третий Рейх, для создания эффективных технологических производственных цепочек, охватывающих разные части будущего Третьего Рейха, германское руководство отказывается от системы допусков и посадок на базе DIN и переходит на уже внедрённую к тому времени в европейских странах систему ISA (которая большей частью основана на общих принципах системы DIN). Это позволило Германии совершить быстрый технологический рывок с использованием объединения производственных мощностей всей Европы.

Терминология

В этой системе термины "вал" и "отверстие" условны: все детали с наружными и с внутренними присоединительными поверхностями, независимо их от формы, будь она хоть квадратной, называются валами и отверстиями соответственно.

Для понимания устройства системы необходимо разобраться в том "птичьем языке" на котором она изъясняется - в её терминологии:

Размер в системе - это числовое значение линейной величины (например диаметра, длины). Размеры подразделяют на номинальные, действительные и предельные;
Действительный размер - размер детали, установленный измерением инструментом с допускаемой точностью;
Базовый размер относительно которого определяются отклонения получил название "номинальный размер". Это условный ноль - начало отсчёта. Именно его указывают в чертежах и документации как значащий размер;
Предельный размер - два граничных размера между которыми обязано находиться значение действительного размера качественной детали. Действительный размер может быть равен одному из двух предельных;
Отклонение определяется как числовая разность между размером (действительным или предельным размером) и соответствующим номинальным размером - это расстояние от условного нуля, начала отсчёта;
Предельное отклонение - отклонение, равное числовой разнице между предельным размером и номинальным размером. Таких предельных отклонений два: верхнее и нижнее. Верхнее отклонение - это числовая разность между наибольшим предельным размером и номинальным, а нижнее отклонение, соответственно, числовая разница между наименьшим предельным размером и номинальным;
Основное отклонение - одно из двух предельных отклонений (верхнее или нижнее), определяющее положение поля допуска относительно нулевой отметки номинального размера (её изображают на рисунках и чертежах в виде нулевой линии). В системе допусков и посадок основным является то из двух отклонений, которое ближе к нулевой линии.
Все допустимые основные отклонения в парных сопрягаемых соединениях разделили на 27 фиксированных ступеней, для отверстий и парных к ним ответных валов. Отклонения обозначаются латинскими буквами, для отверстия - заглавными (A, B, C, D... и т.д.), а для вала - строчными (a, b, c, d... и т.д.). На рисунке показаны синим основные отклонения для валов, красным - основные отклонения для сопрягаемых с ними отверстий.

Данная схема предназначена главным образом для конструкторов, проектирующих узлы механизмов и машин. Для гарантированного задания требуемой посадки в соединении (зазор, скольжение, натяг) необходимо подбирать совместные допуски для парных вала и отверстия по вертикальным столбцам данной схемы. Причём, необязательно строго вертикально (как, например, Р/р или H/h), в зависимости от выбранных материалов вала и детали с отверстием, от условий работы соединения в дальнейшем, можно подбирать пару допусков по вертикальной диагонали (например, P/u или H/f). Подбор пары допусков по горизонтали в данной схеме, с получением необходимой посадки, намного сложнее и возможен только если известны точности изготовления вала и отверстия, а соответственно и все четыре предельных размера в соединении (как один из вариантов, такая необходимость может возникнуть в случае, когда уже есть валы с неподходящим допуском, например cd, а нужно получить в соединении натяг, - и тогда подбирать допуск отверстия в сопрягаемой детали придётся из ряда допусков отверстий по горизонтали в схеме от V до ZB). Нужно отметить, что на схеме цветными прямоугольниками изображены только основные отклонения отверстий и валов, то есть один из двух предельных размеров отверстия или вала, - тот, который ближе к нулевой линии номинального размера отверстия или вала соответственно. Но, каждый из прямоугольников можно продлить по направлению от нулевой линии номинального размера до второго предельного размера, который не изображён на схеме по той причине, что он не имеет фиксированного значения, а зависит от точности изготовления. Для каждого из допусков (например, для m) можно задать разную точность изготовления - величина второго заданного отклонения и его отстояние от первого основного при этом будет изменяться, и поэтому изобразить их все сразу на схеме невозможно.

Для определённых требований, предъявляемых к точности детали, возможное отклонение от отметки базового размера ограничили предельно приемлемой величиной. Образовавшийся промежуток между номинальной отметкой и предельной границей размера назвали "допуск". Позже такой допуск, одно из предельных отклонений которого нулевое, назвали "основной допуск", а отверстие или вал, имеющие такой основной допуск назвали "основным отверстием" и "основным валом". Основное отверстие имеет нулевой наименьший предел допуска, основной вал имеет нулевой наибольший предел допуска. В самом же общем случае обе предельные границы допуска не совпадают с базовой нулевой отметкой номинального размера.

Постепенно повышая требования, предъявляемые к точности детали, получили ступенчатую последовательность предельно приемлемых величин отклонений от нулевой отметки базового размера - их назвали "степени точности" или "квалитеты" (от нем. Qualität, которое от лат. qualitas — качество). Таких степеней точности-квалитетов всего 19 штук с номерами "01" и далее подряд от "0" до "17" (в советском ГОСТе 25346-89 их 20 штук). Чем меньше номер квалитета, тем уже промежуток приемлемого отклонения действительных размеров детали, и тем тоньше должно быть качество обработки. Измеряется в микрометрах (мкм). С увеличением размеров самой детали становится всё труднее выдерживать такую же степень точности, как для меньших деталей - поэтому решили требования к точности снижать, тоже ступенчато, по мере увеличения линейных размеров детали, для чего линейные размеры разбили на интервалы (в диапазоне от 1 мм до 500 мм таких интервалов 13).

В итоге, получили набор рядов точности, похожих на 19-позиционный гитарный гриф, где квалитеты выступают подобием ладов на гитарном грифе, линейный размер детали подобен растущей частоте последовательных октав, а приемлемое отклонение с соблюдением степени точности - это как звучание определённой ноты при зажиме определённого лада. Величина допусков увеличивается построчно от квалитета к квалитету с коэффициентом около 1,6.

На примере значений допусков для номинальных размеров от 1 мм до 500 мм это выглядит так:

Из таблицы видно, что каждый квалитет - это не один допуск, а ряд допусков одинаковой степени точности для разных интервалов линейных размеров.

Таким образом,

Квалитет - это совокупность допусков, соответствующих одному уровню точности для разных номинальных размеров, обозначается в чертежах и документации его номером 01; 1; 2; 3; и так далее, до 17. На схеме сочетания допусков отверстий и валов, приведенной выше, номер квалитета определяет степень точности допуска, его протяжённость в микронах, и отстояние второго отклонения от первого основного для каждого допуска. То есть, для приведенного ранее примера с допуском m задание квалитета может быть разным (m5, m6, m7, m8, m9 и т.д), и при этом протяжённость допуска будет изменяться, а с нею будет изменяться и второй предельный размер детали. Квалитеты 01-5 применяются при изготовлении измерительного инструмента, 6-8 при изготовлении подшипников, 9-11 при накатке резьбы, 12-13 при нарезании резьбы, 14-17 при изготовлении несопрягаемых, так называемых "свободных" размеров деталей. Для определения конкретных размеров согласно заданного квалитета необходимо воспользоваться таблицами технического справочника;
Допуск - это числовая разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами, числовая разность между верхним и нижним отклонениями, обозначается латинской буквой "Т" (от лат. tolerance - та самая толерантность, или по-русски "принятие");
Стандартный допуск - любой из допусков, устанавливаемых международной системой допусков и посадок, обозначается в технической документации латинскими буквами "IT" (от лат.  International tolerance - международное принятие) с обозначением номера квалитета после них. В системе, когда речь идёт о допуске, то всегда имеется в виду именно "стандартный допуск". На рисунке справа красным выделен основной допуск для отверстия с основным отклонением Н по 10 квалитету точности, допуск обозначается IT10, а отверстие Ø15Н10;
Протяжённость участка допуска "от и до", от нижней границы до верхней, от нижнего отклонения до верхнего, назвали "поле допуска". Поле допуска - размерный промежуток, ограниченный наибольшим и наименьшим предельными размерами и определяемый величиной допуска и его положением относительно номинального размера. Поле допуска обозначают сочетанием латинской буквы или нескольких букв основного отклонения и порядкового номера квалитета: g6, h11, js6, D8, U7 и т.д. Обозначение поля допуска на чертеже или в документации указывают после номинального размера элемента детали (большие латинские буквы для отверстий, маленькие для валов): Ø30Н7, 42n9, 98h11 и т.п. Для определения действительных размеров предельных отклонений размера при таком обозначении необходимо воспользоваться таблицами технического справочника. Предельные отклонения размера на чертежах и в документации указывают не только условным обозначением поля допуска 22H7, 14e8, а также условным и числовым значениями 18H7^+0,018(нижний предел здесь равен "0" и не указан),  , или просто числовыми значениями 18^+0,018, . При равенстве верхнего и нижнего отклонений ставят знаки ±, например 88 ± 0,25.

Для несопрягаемых размеров допуски назначают в зависимости от функциональных требований соединения. Поля допусков обычно бывают:
- плюсовыми (т.е. больше номинального диаметра или размера) для отверстий, обозначают буквой Н и номером квалитета, например НЗ, Н9, Н14
- минусовыми (т.е. меньше номинального диаметра или размера) для валов, обозначают буквой h и номером квалитета, например h3, h9, h14
- симметричными относительно нулевой линии, "плюс - минус половину допуска", обозначают ±IT3/2, ±IT9/2, ±IT14/2. Симметричные поля допусков для отверстий могут быть обозначены буквами JS, например, JS3, JS9, JS14, а для валов - буквами js, например, js3, js9, js14.

Сопряжения

Перейдём к рассмотрению условий сопряжения двух деталей или их частей.

Характер сопряжения называется в системе "посадкой". Посадка определяется разностью размеров деталей или их частей до сборки.
Вариантов разности размеров два: натяг и зазор.

Зазор - это вариант разности между размерами отверстия и вала до сборки, если размер отверстия больше размера вала;
Натяг - это вариант разности между размерами вала и отверстия до сборки, если размер вала больше размера отверстия;
Допуск посадки - сумма допусков отверстия и вала, составляющих соединение. Допуски отверстия и вала в посадке не должны отличаться более чем на 1-2 квалитета. Больший допуск, как правило, назначают для отверстия;
Посадка с зазором - посадка, при которой всегда образуется зазор в соединении, т.е. наименьший предельный размер отверстия больше наибольшего предельного размера вала или равен ему;
Посадка с натягом - посадка, при которой всегда образуется натяг в соединении, т.е. наибольший предельный размер отверстия меньше наименьшего предельного размера вала или равен ему;
Переходная посадка - посадка, при которой возможно получение как зазора так и натяга в соединении, в зависимости от действительных размеров отверстия и вала.

Одинаково подогнать на большом количестве однотипных деталей допуски размеров двух сопрягаемых деталей друг к другу с требуемой посадкой, работая одновременно и с отверстием и с валом довольно затруднительно. Необходимо одну из деталей выбрать как базовую, основную - а вторую уже подгонять к первой, ориентируясь на её действительные размеры. Тут два варианта: подгонять вал под отверстие, или подгонять отверстие под вал. Первый вариант называется "Система отверстия", а второй "Система вала". Варианты равноправные, но наша практика показывает, что инструмент для изготовления отверстий более дорогостоящий, чем для изготовления вала. Поэтому дешевле будет изготавливать заданной степени точности отверстия, а потом уже подбирать или подгонять к ним валы, расходуя более дешёвый инструмент.

Система отверстия 
Отверстие изготавливают с заданным допуском согласно квалитета (на рисунке основное отклонение отверстия обозначено как Н). Необходимую посадку получают подбором степени точности и допуска вала согласно справочных данных для данного диаметра (на рисунке ряд основных отклонений вала и соответствующих им посадок, из которых необходимо выбрать, обозначены от a до z).

Посадки в системе отверстия - посадки, в которых требуемые зазоры и натяги получаются сочетанием различных полей допусков валов с полем допуска основного отверстия.

Система вала

Вал изготавливают с заданным допуском согласно квалитета (на рисунке основное отклонение вала обозначено как h). Необходимую посадку получают подбором степени точности и допуска отверстия согласно справочных данных для данного диаметра (на рисунке ряд основных отклонений отверстия и соответствующих им посадок, из которых необходимо выбрать, обозначены от A до Z).

Посадки в системе вала - посадки, в которых требуемые зазоры и натяги получаются сочетанием различных полей допусков отверстий с полем допуска основного вала.

Посадки выбирают в зависимости от назначения и условий работы узлов в машинах и механизмах, от их требуемой точности, условий сборки, от методов обработки деталей. В основном все применяют посадки в системе отверстия. Использование посадки системы вала целесообразно в подшипниках качения и в случаях, когда необходимо на вал постоянного диаметра установить несколько деталей с различными посадками. 

На чертежах и в технической документации тип посадки в соединении указывают в виде дроби, указывающей в числителе поле допуска отверстия, а в знаменателе - поле допуска вала. Проставляется справа от размера детали, например:

Примеры

Точность и посадка осей и пальцев

Оси и пальцы согласно стандартов ГОСТ 9650-80, DIN 1443, DIN 1444, ISO 2340, ISO 2341, как правило, используют для закрепления скользящей посадкой, или посадкой с зазором H/h обслуживаемых осевых деталей в разборных конструкциях. Такое сочетание поля допуска отверстия Н с полем допуска вала валом h применяют главным образом в неподвижных соединениях при необходимости частой разборки или при наличии сменных деталей, в случаях, если требуется легко передвигать или поворачивать детали одну относительно другой при настройке или регулировании, а также для центрирования неподвижно скрепляемых деталей.

Поэтому гладкий присоединительный размер осей и пальцев по диаметру изготавливают с минусовым полем допуска для валов: a, b, c, d, h, f, квалитетов точности 8, 9, 11 и 12.  

Посадку H11/h11 осей и пальцев используют для относительно грубо центрированных неподвижных соединений, для неответственных шарниров. Посадку H11/d11 осей и пальцев применяют для подвижных соединений, работающих в условиях пыли и грязи (узлы сельскохозяйственных машин, железнодорожных вагонов), в шарнирных соединениях тяг, рычагов, для центрирования крышек паровых цилиндров с уплотнением стыка кольцевыми прокладками.

Разберём расшифровку точности в обозначении осей и пальцев

Ось 3-16h9×42.099 ГОСТ 9650-80 

• 3 - тип оси согласно ГОСТ 9650-80, в данном случае - с проточками под замковую шайбу;
• 16 - диаметр оси, одинаковый по всей длине;
• h9- точность основной цилиндрической поверхности оси, имеет допуск h и квалитет точности 9 (согласно справочной таблице для диаметра 16 мм от -0,043 до +0,000 мм, то есть действительный размер диаметра оси должен быть от 15,957 мм до 16,000 мм);
• 42 - длина оси, её допуск должен быть h14 (согласно справочной таблице для линейного размера 40 мм от -0,62 до +0,0 мм, то есть действительный размер длины оси должен быть от 41,38 мм до 42,00 мм);
• 099 - тип покрытия оси, в данном случае, номер 09 (цинковое) толщиною 9 мкм.
• ГОСТ 9650-80 - стандарт, нормирующий геометрическую форму и технические требования к оси "Оси. Технические условия".

Ось 6-30d11×90.Ст3сп ГОСТ 9650-80 

• 6 - тип оси согласно ГОСТ 9650-80, в данном случае - с цилиндрической головкой (такие оси называют "пальцами") и с отверстием под шплинт;
• 30 - диаметр оси, одинаковый по всей длине;
• d11 - точность основной цилиндрической поверхности оси, имеет допуск d и квалитет точности 11 (согласно справочной таблице для диаметра 30 мм от -0,185 до -0,065 мм, то есть действительный размер диаметра пальца должен быть от 29,815 мм до 29,935 мм);
• 90 - длина оси, её допуск должен быть h14 (согласно справочной таблице для линейного размера 90 мм от -0,87 до +0,0 мм, то есть действительный размер длины пальца должен быть от 89,13 мм до 90,00 мм);
• Ст3сп - марка материала пальца, в данном случае - сталь 3 спокойная;
• ГОСТ 9650-80 - стандарт, нормирующий геометрическую форму и технические требования к пальцу "Оси. Технические условия".

Точность и посадка штифтов

Чаще всего штифты применяют для точной фиксации положения одной детали относительно другой или для противодействия поперечным силам, действующим в плоскости разъема двух деталей. Самые распространённые штифты - цилиндрические и конические. Они бывают полнотелыми, с внутренней резьбой, спиральными, скрученными из полосы.

Цилиндрические штифты устанавливают обычно наглухо посадкой с натягом в первой детали и по посадке Н7/js6 или Н7/h6 во второй детали. Цилиндрические штифты изготавливают из высокоуглеродистой стали или из легированной стали с закалкой. Конические штифты изготавливают из углеродистых сталей и преимущественно не калят, чтобы они были достаточно мягкими, кроме исключительных случаев. Следует внимательно отнестись к вопросу закалки конических штифтов: если конический штифт упрочнить, то при забивании с натягом в отверстие детали, или сопрягаемых парных деталей, высока вероятность чрезмерным ударным усилием расколоть дорогостоящую деталь, в то время как сам штифт останется недеформированным. Рабочую поверхность штифтов обрабатывают не ниже, чем по квалитету 6. Гладкие цилиндрические штифты, в основном, изготавливают с полями допусков основной поверхности m6, h8, h9, h11, реже с другими полями допусков. Конические штифты изготавливают с конусностью 1:50 и, в основном, с полями допусков диаметра h10 или h11. Так как поле допуска диаметра штифта одинаково по всей длине, посадки штифтов являются посадками в системе вала. Если выбрано основное отклонение поля допуска стандартного штифта h (например Ø6h8), посадки будут в системе основного вала. Если же выбрано стандартное основное отклонение поля допуска штифта m, то посадки штифтов будут в системе неосновного вала (например Ø6F8/m6). 

Разберём расшифровку точности в обозначении штифтов

Штифт 12m6×40 ГОСТ 3128–70 

• 12 - диаметр цилиндрического штифта, одинаковый по всей длине;
• m6 - точность основной цилиндрической рабочей поверхности штифта, имеет допуск m и квалитет точности 6 (согласно справочной таблице для диаметра 12 мм от +0,007 до +0,018 мм, то есть действительный размер диаметра штифта должен быть от 12,007 мм до 12,018 мм);
• 40 - длина штифта, её допуск должен быть h14 (согласно справочной таблице для линейного размера 40 мм от -0,62 до +0,0 мм, то есть действительный размер длины штифта должен быть от 39,38 мм до 40,00 мм);
• ГОСТ 3128-70 - стандарт, нормирующий геометрическую форму и технические требования к штифту "Штифты цилиндрические незакалённые. Технические условия".

Штифт 6h11×35.019 ГОСТ 10773–80

• 6 - диаметр цилиндрического штифта, одинаковый по всей длине;
• h11 - точность основной цилиндрической рабочей поверхности штифта, имеет допуск h и квалитет точности 11 (согласно справочной таблице для диаметра 6 мм от -0,075 до +0,0 мм, то есть действительный размер диаметра штифта должен быть от 5,925 мм до 6,000 мм);
• 35 - длина штифта, её допуск должен быть h14 (согласно справочной таблице для линейного размера 35 мм от -0,62 до +0,0 мм, то есть действительный размер длины штифта должен быть от 34,38 мм до 35,00 мм);
• 019 - тип покрытия штифта, в данном случае, номер 01 (цинковое покрытие с хроматированием) толщиною 9 мкм;
• ГОСТ 10773-80 - стандарт, нормирующий геометрическую форму и технические требования к штифту "Штифты цилиндрические насечённые с коническими насечками. Технические условия".

Штифт 8h11×100 ГОСТ 3129–70

• 8 - диаметр конического штифта на тонком конце в мм, уклон от него 1:50, значит на другом конце диаметр должен быть 10 мм;
• h11 - точность основной конической рабочей поверхности штифта, имеет допуск h и квалитет точности 11 (согласно справочной таблице для диаметра 8 мм от -0,09 до +0,0 мм, то есть действительный размер диаметра штифта должен быть от 7,91 мм до 8,00 мм);
• 100 - длина штифта в мм, её допуск должен быть h14 (согласно справочной таблице для линейного размера 100 мм от -0,87 до +0,0 мм, то есть действительный размер длины штифта должен быть от 99,13 мм до 100,00 мм);
• ГОСТ 3129-70 - стандарт, нормирующий геометрическую форму и технические требования к штифту "Штифты конические незакалённые. Технические условия".