3. ΑΝΟΧΕΣ - ΣΥΝΑΡΜΟΓΕΣ

Transcript

1 ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ Ι Εισαγωγή Οι θεμελιώδεις απαιτήσεις της σημερινής οικονομίας για παραγωγή προϊόντων υψηλής ποιότητας και με ανταγωνιστικό κόστος, επιβάλλουν σε κάθε παραγωγική μονάδα την εν σειρά ή μαζική παραγωγή. Κατ αυτή, τα επιμέρους ομοειδή τεμάχια μίας σειράς προϊόντων πρέπει να είναι όμοια και εναλλάξιμα, ώστε η συναρμολόγηση ή η αντικατάσταση εξαρτημάτων που έχουν φθαρεί ή αστοχήσει να γίνεται εύκολα, χωρίς έμπειρους τεχνίτες και ειδικό εξοπλισμό. Το αποτέλεσμα αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί παρά μόνο εφόσον, σε δύο, για παράδειγμα, συνεργαζόμενα τεμάχια, οι πραγματικές διαστάσεις κατεργασίας καθενός, βρίσκονται μέσα σε προκαθορισμένα όρια, οπότε και ο βαθμός ελευθερίας του συναρμολογημένου ζεύγους είναι επίσης προκαθορισμένος. Στην πράξη, για να εξασφαλιστεί η εναλλαξιμότητα στα εξαρτήματα πρέπει τα αναπόφευκτα σφάλματα διαστάσεων, μορφής, θέσεως, τραχύτητας επιφάνειας κ.λπ. να περιοριστούν σε τέτοια όρια, ώστε το εξάρτημα να μπορεί να εκπληρώσει το σκοπό κατασκευής του. Αυτό επιτυγχάνεται με το να δεχθεί κανείς μια ανοχή, μία απόκλιση δηλαδή, με καθορισμένα όρια από την διάσταση, που αναγράφεται στο σχέδιο. Η τελική διάσταση του κατεργάσιμου αντικειμένου δεν θα πρέπει να ξεπερνά τα όρια αυτά. Αυτές οι δύο διαστάσεις (μέγιστη και ελάχιστη επιτρεπόμενες) ονομάζονται οριακές διαστάσεις, επειδή δε, συνήθως, αναφερόμαστε σε διαστάσεις (=μήκος), ομιλούμε για ανοχή(ές) διαστάσεων (dimensional tolerance). Κατ αντιστοιχία η σχετική ευκολία και δυνατότητα της κίνησης μεταξύ των δυο συνεργαζόμενων αντικειμένων περιγράφεται με τον όρο συναρμογή (fit). Η «έννοια» των ανοχών/συναρμογών» είναι ζωτική για την κατασκευαστική βιομηχανία δεδομένου ότι αποτελεί προϋπόθεση για την εναλλαξιμότητα. Ως εναλλαξιμότητα ορίζουμε τη δυνατότητα αντικατάστασης ενός εξαρτήματος από ένα άλλο, που έχει κατασκευασθεί «οπουδήποτε και από οποιονδήποτε», αρκεί αυτό να στηρίζεται στις ίδιες προδιαγραφές και να παράγει το ίδιο αποτέλεσμα ως προς τα βασικά χαρακτηριστικά του προϊόντος. Η εναλλαξιμότητα αποτελεί την βάση της σύγχρονης μαζικής παραγωγής και για να επιτευχθεί απαιτεί, κατ αρχή, οι διαστάσεις των συνεργαζομένων επιφανειών των εξαρτημάτων να κυμαίνονται σε αυστηρά καθορισμένο και προδιαγεγραμμένο εύρος, γεγονός που επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ενός συστήματος ανοχών/συναρμογών. Οι μέθοδοι και τα μέσα επίτευξης του στόχου αυτού αναπτύσσονται στο παρόν Κεφάλαιο. Επισημαίνεται, ότι πέραν της εναλλαξιμότητας η εισαγωγή ανοχών/συναρμογών συσχετίζεται με την αδυναμία οποιασδήποτε κατεργασίας μορφοποίησης των υλικών να παράγει επαναληπτικά και DRAFT ( ) Σελ. 3-1

2 συνεχώς την ίδια ονομαστική διάσταση καθώς με την εκθετική αύξηση του κόστους κατεργασίας σε σχέση με τον περιορισμό των οριακών διαστάσεων ενός εξαρτήματος πέραν του αναγκαίου που απαιτείται για την αποδεκτή λειτουργική συμπεριφορά του. 3.1 Γενικές ανοχές Ανοχή Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, είναι αδύνατο στην πράξη να επιτευχθεί με κατεργασία, μια διάσταση L με μαθηματική ακρίβεια. Είναι όμως δυνατόν να ορίσουμε ένα ελάχιστο (L min ) και ένα μέγιστο (L max ), ώστε, ανάλογα με τη διαφορά L max - L min, με λιγότερη ή περισσότερη προσπάθεια, να μπορεί να επιτευχθεί, με τα υπάρχοντα μέσα, μια διάσταση L πραγμ., τέτοια ώστε L min < L πραγμ. < L max. Σε μια παραγωγή πολλών όμοιων αντικειμένων, αυτό με πραγματικό μήκος έξω από τα δύο παραπάνω όρια είναι απαράδεκτο και απορρίπτεται από τον έλεγχο ως «μη αποδεκτό». Η διαφορά των δύο ακραίων επιτρεπτών διαστάσεων λέγεται ανοχή. Η ανοχή γενικά συμβολίζεται με το σύμβολο Τ ( tolerance) και επειδή, στην πράξη είναι μέγεθος πολύ μικρό, μετράται, στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (S.I) σε «μικρά» (1 μικρό = 1 μm = 0,001 mm). Στο Αγγλοσαξονικό σύστημα γίνεται αναφορά, συνήθως, σε χιλιοστά της «ίντσας» (thousandths of an inch / μin). Η μέγιστη και η ελάχιστη επιτρεπόμενη διάσταση ονομάζονται οριακές διαστάσεις (limit dimensions). Γενικές ανοχές Οι γενικές ανοχές αναφέρονται στις επιτρεπόμενες οριακές διαστάσεις ενός εξαρτήματος που κατασκευάζεται με κατεργασίες κοπής ή διαμόρφωσης χωρίς να εξετάζεται η συναρμολόγηση/ συνεργασία του με άλλα εξαρτήματα. Οι γενικές ανοχές ελεύθερων διαστάσεων μηκών και γωνιών καθορίζονται με βάση τις προδιαγραφές ISO (1989) και DIN 7168 (1991). Οι προδιαγραφές αυτές καθορίζουν 4 βαθμούς (κλίμακες) ακρίβειας και οι ανοχές δίδονται με μορφή ± Χ.Ψ mm. Για την επιλογή της κλίμακας ακρίβειας λαμβάνονται υπόψη οι δυνατότητες του συγκεκριμένου μηχανουργείου, οι εγγενείς δυνατότητες και περιορισμοί της κατεργασίας παραγωγής (τόρνευση, χύτευση, κ.λπ) και κυρίως ο προορισμός και οι λειτουργικές απαιτήσεις του εξαρτήματος. Κατ αντιστοιχία με τις γενικές ανοχές διαστάσεων μήκους ορίζονται και γενικές ανοχές ελεύθερων διαστάσεων μορφής και θέσης σύμφωνα με τις προδιαγραφές ISO (1989) και DIN 7168 (1991). Για λόγους χώρου δεν γίνεται αναφορά εδώ, βλέπε ενδεικτικά Μπουζάκης (χ.χ) σελ ή/και Βούλγαρης (1991), σελ Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-2

3 3.2 Ανοχές/Συναρμογές: Βασικές έννοιες Άξονας - Τρήμα Όταν ένα εξάρτημα Α με την εξωτερική διάσταση l είναι τοποθετημένο και λειτουργεί μέσα στο εξάρτημα Β με την εσωτερική διάσταση L, τότε, με την ευρεία έννοια και άσχετα με το αν τα εξαρτήματα αυτά έχουν κυλινδρική ή άλλη μορφή, βλέπε Σχήμα 3.1, ονομάζουμε το Α, άξονα (shaft) και το Β, τρήμα 1 (hole). Σχήμα 3.1: Ορισμός άξονα και τρήματος. Συναρμογή Ο όρος συναρμογή (fit) αναφέρεται στην δυνατή ή μη δυνατή σχετική κίνηση δύο συναρμολογημένων κομματιών (άξονας - τρήμα) που οφείλεται στην πριν από τη συναρμολόγηση μελετημένη διαφορά των διαστάσεων τους. Συνεπώς, η έννοια της συναρμογής αναφέρεται πάντοτε σε ένα ζεύγος συνεργαζόμενων εξαρτημάτων και όχι σε μεμονωμένα αντικείμενα. Οι οριακές διαστάσεις σε μια συναρμογή είναι, βλέπε Σχήμα 3.2: Η μέγιστη διάμετρος, Β μ, της οπής (τρήματος). Η αντίστοιχη ελάχιστη διάμετρος, Β ε, της οπής (τρήματος) καθώς και τα αντίστοιχα. Μέγιστη διάμετρος, Α μ, του άξονα. Ελάχιστη διάμετρος, Α ε, του άξονα. 1 Σημειώνεται ότι το τρήμα απλούστερα θα μπορούσε να ονομάζεται «οπή» αλλά ο όρος «τρήμα» έχει επικρατήσει στην ελληνική τεχνική βιβλιογραφία οπότε ακολουθείται και εδώ. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-3

4 Σχήμα 3.2: Οριακές διαστάσεις συναρμογής. Με βάση τον ορισμό της ανοχής και το Σχήμα 3.2 ισχύει: ανοχή τρήματος : Τ Β = Β μ - Β ε (3.1) ανοχή άξονα : Τ Α = Α μ - Α ε (3.2) Ανοχή συναρμογής ονομάζουμε το άθροισμα των δύο προηγούμενων ανοχών : Τ = Τ Β + Τ Α Η χάρη (clearance), Χ, είναι η διαφορά των αντιστοίχων διαστάσεων (διαμέτρων) της οπής (τρήματος) και του άξονα, εφόσον η διαφορά αυτή είναι θετικός αριθμός. Μέγιστη χάρη Χ μ = Β μ - Α ε. Β ε (3.3) Δηλαδή, η διαφορά της μέγιστης διαμέτρου του τρήματος και της ελάχιστης διαμέτρου του άξονα, Ελάχιστη χάρη Χ ε = Β ε - Α μ. (3.4) Δηλαδή, η διαφορά της ελάχιστης διαμέτρου του τρήματος και της μέγιστης διαμέτρου του άξονα. Σύσφιγξη (interference), Σ, είναι η διαφορά των πραγματικών διαστάσεων του τρήματος από αυτές του άξονα, εφόσον το τρήμα είμαι μικρότερο του άξονα Μέγιστη και ελάχιστη σύσφιγξη είναι αντίστοιχα οι διαφορές: Σ μ = Α μ - Β ε και Σ ε = Α ε - Β μ Η σύσφιγξη προφανώς είναι η αρνητική χάρη (Σ = - Χ) και στις εφαρμογές συνήθως γίνεται χρήση μόνο του συμβόλου Χ, κατάλληλα προσημασμένου. Ονομαστική διάσταση Όλες οι διαστάσεις L πραγμ. από μια παραγωγή σειράς, σύμφωνα με τα προηγούμενα, ελάχιστα διαφέρουν από την ιδεατή διάσταση L που επιθυμούμε. Η διάσταση αυτή L είναι μία διάσταση αναφοράς, δηλαδή είναι αυτή που καταχωρείται στο αντίστοιχο μηχανολογικό σχέδιο και ονομάζεται ονομαστική διάσταση (nominal size). Συμβολίζεται με το γράμμα Ν. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-4

5 Η ονομαστική διάσταση πρέπει να περιλαμβάνεται μέσα στα δύο όρια της ανοχής L min και L max, αλλά ενδέχεται και να είναι και έξω από αυτά, είτε προς τα κάτω είτε προς τα πάνω. Η διαφορά α = L πραγμ. - Ν ονομάζεται απόκλιση (deviation). Άνω και κάτω απόκλιση ονομάζουμε τις αλγεβρικές διαφορές της ονομαστικής διάστασης, Ν, από τη μέγιστη L max και την ελάχιστη L min επιτρεπόμενη διάσταση. Η κατ απόλυτη τιμή μικρότερη από τις αποκλίσεις (άνω και κάτω) μίας διάστασης ονομάζεται βασική απόκλιση (fundamental deviation). Πεδίο ανοχής (tolerance zone) ονομάζουμε την σχηματική παράσταση που εικονίζει το μέγεθος και την θέση της ανοχής ως προς την ονομαστική διάσταση Ν. Συνήθως δε, στη γραφική παράσταση των ανοχών ταυτίζουμε την ονομαστική διάσταση με το μηδέν (γραμμή μηδενός). Ανάλογα με τη θέση του πεδίου ανοχής ως προς την ονομαστική διάσταση διακρίνουμε το συμμετρικό σύστημα ανοχών (plusand-minus), βλέπε Σχήμα 3.3(α), το δίπλευρο (bilateral), βλέπε Σχήμα 3.3(β) και το μονόπλευρο σύστημα (unilateral), βλέπε Σχήμα 3.3(γ). Σχήμα 3.3: Θέση του πεδίου ανοχής ως προς την ονομαστική διάσταση - (α) συμμετρικό σύστημα ανοχών, (β) ασύμμετρο και (γ) μονόπλευρο σύστημα ανοχών. Ποιότητα και κατηγορία ανοχής Με τον όρο ποιότητα χαρακτηρίζουμε το μέγεθος της ανοχής για την κατεργασία μιας ορισμένης διαστάσεως. Για την ίδια διάσταση, όσο μεγαλύτερη είναι η ανοχή (χονδρική ποιότητα) τόσο μικρότερη είναι η ακρίβεια και αντίστροφα, όσο μικρότερη είναι η ανοχή (λεπτή ποιότητα) τόσο μεγαλύτερη είναι η ακρίβεια της κατασκευής. Το είδος της εκλεγόμενης ποιότητας κατεργασίας μιας διάστασης έχει την ακόλουθη αλληλουχία συνεπειών: Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-5

6 Λεπτή ποιότητα Μικρή ανοχή Μεγάλη ακρίβεια Δύσκολη κατεργασία με δαπανηρό εξοπλισμό Πολλά μη αποδεκτά (σκάρτα) Μεγάλο κόστος παραγωγής. Όσο η ποιότητα της ανοχής γίνεται περισσότερο χονδρική, τόσο οι παραπάνω συνέπειες αντιστρέφονται. Σημειώνεται ότι η διαδοχική μετάβαση από τις χονδρικές σε λεπτότερες ποιότητες συνεπάγεται εκθετική αύξηση του κόστους. Κατά συνέπεια, βασική επιδίωξη κατά την παραγωγή, πρέπει να είναι η επιλογή όσο το δυνατόν μεγαλύτερων ανοχών, αρκεί να εκπληρώνονται οι λειτουργικοί σκοποί του κατασκευαζόμενου απάρτιου. Η κατηγορία καθορίζει την θέση του πεδίου ανοχής ως προς την ονομαστική διάσταση. Καθορίζει δηλαδή αν το πεδίο ανοχών βρίσκεται όλο πάνω από την ονομαστική διάσταση ή κάτω από αυτή ή μοιράζεται πάνω και κάτω από την ονομαστική διάσταση. Η κατηγορία, δηλαδή καθορίζει το μέγεθος και την θέση (πρόσημο) της βασικής απόκλισης. Όπως συζητείται στη συνέχεια, σύμφωνα με το σύστημα ανοχών κατά ISO, προδιαγράφονται 20 διαφορετικές ποιότητες και 28 διαφορετικές κατηγορίες. 3.3 Σύστημα ανοχών/συναρμογών κατά ISO Απ όλα τα συστήματα ανοχών που υπάρχουν σήμερα το σύστημα ISO έχει υιοθετηθεί και εφαρμόζεται περισσότερο επειδή είναι το πληρέστερο και το πλέον εύχρηστο. Η εφαρμογή του συστήματος αυτού είναι, πλέον, υποχρεωτική στην χώρα μας. Στο σύστημα αυτό σαν θερμοκρασία αναφοράς λαμβάνεται η θερμοκρασία των 20 ο C και σ αυτή τη θερμοκρασία τα διάφορα μεγέθη πρέπει να έχουν την οριζόμενη τιμή. Η πλήρης περιγραφή του συστήματος βρίσκεται στις προδιαγραφές: ISO (1988), ISO (1988) και ISO 1829 (1975), βλέπε την βιβλιογραφία στο τέλος του Κεφαλαίου Σύστημα ανοχών Η ανοχή (είτε αναφερόμαστε σε άξονα είτε σε τρήμα) χαρακτηρίζεται από δύο στοιχεία το μέγεθος (εύρος) και τη θέση της σε σχέση με την ονομαστική διάσταση. Μιλώντας τεχνικά, και με αναφορά στους βασικούς ορισμούς της ενότητας 3.2, μια ανοχή περιγράφεται με την ποιότητα και την κατηγορία της. Το σύστημα ISO για κάθε ονομαστική διάσταση, στην περιοχή των συνήθων ονομαστικών διαστάσεων mm περιλαμβάνει: 20 ποιότητες ανοχών που συμβολίζονται με αριθμούς ως εξής: Ποιότητες: ή ΙΤ01 - ΙΤ02 - ΙΤ1 - ΙΤ2... ΙΤ16 - ΙΤ17 - ΙΤ18 Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-6

7 Για τον (μαθηματικό) τρόπο υπολογισμού των ποιοτήτων επισημαίνω τα ακόλουθα: Η περιοχή των συνήθων ονομαστικών διαστάσεων mm διαιρείται σε 13 διαστήματα, (D1 - D2], ως εξής: (1-3], (3-6], (6-10], (10-18], (18-30], (30-50], (50-80], (80-120], ( ], ( ], ( }, ( ], ( ]. Για κάθε διάστημα, λαμβάνεται ως διάσταση αναφοράς, D, ο γεωμετρικός μέσος των ακραίων τιμών του διαστήματος ( D = D D ). 1 2 Οι ανοχές κατά ISO υπολογίζονται με αναφορά στην λεγόμενη «μονάδα ανοχών» που δίδεται από την σχέση: i = 0,45 3 D +0,001 D ( i σε μm, D σε mm, όπως ορίσθηκε παραπάνω) (3.5) Βάση υπολογισμού είναι η ποιότητα ΙΤ 6. για την οποία το εύρος ανοχής λαμβάνεται Τ = 10 i. Το εύρος ανοχής κάθε ποιότητας πάνω από την ΙΤ 6 υπολογίζεται με πολλαπλασιασμό της προηγούμενης επί τον συντελεστή 1,6 ( = 5 10 ). Η ανοχή της ποιότητας ΙΤ 5 λαμβάνεται ίση με Τ = 7 i, ενώ οι ανοχές των ποιοτήτων ΙΤ 2 έως ΙΤ 6 προσδιορίζονται έτσι, ώστε να δίδουν λόγο διαδοχικών βημάτων (κλιμάκωση) ίση κατά προσέγγιση με 1,6. Οι ανοχές των ποιοτήτων ΙΤ 02 έως και ΙΤ 1 προσδιορίζονται από εμπειρικές σχέσεις παρόμοιες της (3.5), βλέπε ενδεικτικά Πετρόπουλος (χ.χ), σελ Σημειώνεται, ότι στην περιοχή ονομαστικών διαμέτρων ( ] mm αντί της σχέσης (3.5) χρησιμοποιείται η σχέση: i = 0,004 D +2,1 ( i σε μm, D σε mm, όπως ορίσθηκε παραπάνω) (3.6) Ως παράδειγμα παρουσιάζεται ο υπολογισμός της ανοχής της ποιότητας ΙΤ 7 για Ν=20 mm. Η διάσταση Ν=20 mm βρίσκεται στο διάστημα (18-30], οπότε D = (18 * 30) 1/2 = 23, 24 mm. Η μονάδα ανοχής για το διάστημα αυτό υπολογίζεται ως i = 0, , 24 +0,001 x 23,24 = 1,3072 μm. Το εύρος ανοχής της ποιότητας ΙΤ 7 θα είναι Τ ΙΤ7 = Τ ΙΤ6 x 1,6 = 10 i x 1,6 =16 i. Άρα το πεδίο ανοχής θα είναι 16 x 1,3072 = 20, μm. Επισημαίνεται, ότι: για την ίδια διάσταση οι ποιότητες που συμβολίζονται με τους μικρότερους αριθμούς ανταποκρίνονται σε μικρότερα πεδία ανοχών, ενώ οι ποιότητες που συμβολίζονται με τους μεγαλύτερους αριθμούς αφορούν μεγαλύτερα πεδία ανοχών. για μια συγκεκριμένη ποιότητα η τιμή της ανοχής αυξάνει όσο αυξάνει η αντίστοιχη ονομαστική διάσταση. 28 κατηγορίες που συμβολίζονται με ένα γράμμα ή με συνδυασμό γραμμάτων του λατινικού αλφαβήτου, βλέπε Σχήμα 3.4. Οι κατηγορίες των ανοχών περιλαμβάνουν 2 σειρές, τα κεφαλαία γράμματα (π.χ. G) αφορούν τρήματα και τα «μικρά» (π.χ. h) Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-7

8 αφορούν άξονες. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται μία ευρεία κλιμάκωση των μεγεθών των βασικών αποκλίσεων, τόσο για τους άξονες όσο και για τα τρήματα, καλύπτοντας όλο το πεδίο ανοχών, από πολύ άνω έως πολύ κάτω της ονομαστικής διάστασης. Κατά συνέπεια, σε κάθε γράμμα που χαρακτηρίζει μία θέση ανοχής (=κατηγορία) αντιστοιχεί μία βασική απόκλιση. Η βασική απόκλιση είναι κατά κανόνα ανεξάρτητη της ποιότητας, βλέπε Σχήμα 3.4. Αυξάνει δε, κατά απόλυτη τιμή, μόνο, με την ονομαστική διάσταση, με βάση εμπειρικούς τύπους, βλέπε ενδεικτικά Πετρόπουλος (χ.χ) και Παπαδανιήλ (1979). Σχήμα 3.4: Μεταβολή των ποιοτήτων ανοχής για την ίδια κατηγορία. Οι κατηγορίες που περιγράφονται με τα πρώτα γράμματα του αλφαβήτου έχουν μεγάλες «χάρες» δηλαδή η μέγιστη οριακή διάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη, από την ονομαστική, για τις ανοχές που αφορούν τρήματα και η ελάχιστη οριακή διάσταση είναι πολύ μικρότερη από την ονομαστική για ανοχές που αφορούν άξονες. Το αντίθετο συμβαίνει με τα τελευταία γράμματα της αλφαβήτου όπου έχουμε «σύσφιξη». Στη συνολική κλιμάκωση των κατηγοριών, ιδιαίτερη σημασία έχουν οι κατηγορίες Η και h, και τούτο γιατί είναι οι μόνες που έχουν βασική απόκλιση μηδέν. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.5: Στα τρήματα κατηγορίας Η η ελάχιστη διάσταση ισούται προς την ονομαστική. Δηλαδή το κάτω όριο της ανοχής βρίσκεται πάνω στη γραμμή του μηδενός. Στους άξονες κατηγορίας h η μέγιστη διάσταση ισούται επίσης προς την ονομαστική και συνεπώς, το άνω όριο της ανοχής βρίσκεται πάνω στη γραμμή του μηδενός. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-8

9 Σημειώνεται ότι σε όλες σχεδόν τις χρησιμοποιούμενες στη βιομηχανική παραγωγή συναρμογές, το ένα εκ των δύο συναρμοζόμενων στοιχείων είναι κατηγορίας h ή Η. Σχήμα 3.5: Θέση των κατηγοριών ανοχών ως προς την ονομαστική διάσταση (μηδενική γραμμή). Σύμφωνα με τα παραπάνω καταλήγουμε ότι μια ανοχή συμβολίζεται πλήρως με ένα γράμμα (=κατηγορία) και ένα αριθμό (=ποιότητα) ή συμβολικά 60Η8 (ή 60 Η8 ) το τρήμα και 60h8 (ή 60 h8 ) ο άξονας. Ισοδύναμα, ο άξονας 60h8 συμβολίζεται και ως Φ , όπου (0, -46) είναι οι οριακές αποκλίσεις για το συγκεκριμένο πεδίο ανοχών. Πίνακες με τιμές ανοχών υπάρχουν σε βιβλία (εγχειρίδια, κατάλογοι, handbooks) μηχανολογικού σχεδίου ή/και μηχανουργικής τεχνολογίας. Στους Πίνακες 3.1 και 3.2 δίδονται ενδεικτικά αποσπάσματα πινάκων ανοχών, για άξονες και τρήματα, αντίστοιχα. Με αναφορά στους Πίνακες αυτούς επισημαίνεται ότι τα αντίστοιχα πεδία ανοχών αξόνων και τρημάτων είναι συμμετρικά, π.χ., ανοχή τρήματος 35Η9 = (0, 62) μm, ανοχή άξονα 35h9 = (-62, 0) μm - με κοινό πεδίο ανοχής, Τ = 62 μm. Αναφέρεται επίσης ότι στην κατασκευαστική πράξη χρησιμοποιούνται λίγοι μόνο συνδυασμοί κατηγοριών και ποιοτήτων, βλέπε υπο-ενότητα Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-9

10 Πίνακας 3.1: Τιμές ανοχών για άξονες (κατά ISO 286-2). Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-10

11 Πίνακας 3.2: Τιμές ανοχών για τρήματα (κατά ISO 286-2). Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-11

12 Στην ενότητα 3.2 και στο εδάφιο για την ποιότητα ανοχής επισημάνθηκε ότι η εκλογή της ποιότητας ανοχής μιας διάστασης κατά την μελέτη της παραγωγής μιας σειράς ομοίων εξαρτημάτων επιδρά σημαντικά στη διαμόρφωση του κόστους και κατά συνέπεια, βασική επιδίωξη πρέπει να είναι η επιλογή όσο το δυνατόν μεγαλύτερων ανοχών, αρκεί να εκπληρώνεται ο λειτουργικός προορισμός του κατασκευαζόμενου εξαρτήματος. Στον Πίνακα 3.3 που ακολουθεί συνοψίζεται η συσχέτιση της ποιότητας μιας ανοχής διάστασης με την περιοχή εφαρμογής/χρήσης του αντικειμένου και την κατεργασία παραγωγής του. Πίνακας 3.3: Συσχέτιση ποιότητας ανοχής με περιοχή χρήσης του εξαρτήματος και εργαλειομηχανή παραγωγής του Σύστημα συναρμογών Η έννοια της συναρμογής αφορά σε συναρμολογημένα δύο εξαρτήματα που συνεργάζονται, έχοντας μια σχετική «χάρη» ή «σύσφιγξη» το ένα προς το άλλο. Το αποτέλεσμα της κίνησης ή της σύσφιγξης, δηλαδή του «βαθμού ελευθερίας» της συναρμογής οφείλεται στις διαφορές των διαστάσεων (ανοχές) τους πριν τη συναρμολόγηση. Από την άποψη του βαθμού ελευθερίας οι συναρμογές, κατά ISO, χωρίζονται στις ακόλουθες κατηγορίες: (α) Ελεύθερες (clearance fits): Προκύπτουν από ζεύγη αξόνων και τρημάτων στα οποία οι άξονες είναι πάντοτε μικρότεροι από τα τρήματα. Στις συναρμογές αυτές και η μέγιστη και η ελάχιστη χάρη είναι θετικές (Χ μ >0, Χ ε 0). (β) Σφικτές (interference fits): Προκύπτουν από ζεύγη αξόνων και τρημάτων όταν οι άξονες πριν την συναρμολόγηση είναι μεγαλύτεροι από τα αντίστοιχα τρήματα. Η σύσφιγξη αυτή είναι μικρή ή μεγάλη, ανάλογα με την διαφορά διαστάσεων. Στις σφικτές συναρμογές ισχύει Χ μ <0 και Χ ε <0. (γ) Αμφίβολης σύσφιγξης (transition fits): Στις συναρμογές αυτές ανάλογα με την πραγματική διάσταση μέσα στο συγκεκριμένο πεδίο ανοχής του άξονα και του τρήματος προκύπτει «χάρη» ή σύσφιγξη. Στις συναρμογές αυτές ισχύει Χ μ >0 και Χ ε <0. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-12

13 Μια συναρμογή κατά ISO συμβολίζεται με τον τρόπο που παρουσιάζεται στο επόμενο Σχήμα 3.6. Σχήμα 3.6: Συμβολική παράσταση συναρμογής κατά ISO. Επισημαίνεται ότι ο χαρακτήρας μιας συναρμογής (ελεύθερη, σφικτή η αμφίβολη) δεν εξαρτάται από την ονομαστική διάσταση αλλά μόνο από τις ποιότητες των ανοχών των συνεργαζομένων άξονα και τρήματος. Στο Σχήμα 3.7 δίδεται η γραφική παράσταση της συναρμογής άξονα 90e9 με τρήμα 90H10. Ο άξονας των τετμημένων (γραμμή μηδενός) ταυτίζεται με την ονομαστική διάσταση Ν, ενώ στον άξονα των τεταγμένων καταχωρούνται, με κατάλληλη κλίμακα τα πεδία ανοχών. Εύκολα διαπιστώνεται ότι η συγκεκριμένη συναρμογή είναι ελεύθερη. Σχήμα 3.7: Γραφική παράσταση συναρμογής άξονα 90e9 με τρήμα 90H Επιλογή συναρμογών Αν λάβουμε υπόψη το πλήθος των 20 τυποποιημένων ποιοτήτων και των 28 κατηγοριών, τότε, για κάθε περιοχή ονομαστικών διαστάσεων, θα μπορούσαμε να διαμορφώσουμε 560 διαφορετικά πεδία ανοχών για το τρήμα και ισάριθμα για τον άξονα. Κατόπιν αυτών, οι θεωρητικά δυνατοί συνδυασμοί πεδίων ανοχών αξόνων - τρημάτων, φθάνουν το απαράδεκτο πλήθος των περισσοτέρων από Ανάλογα Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-13

14 θα ήταν και το πλήθος των μέσων ελέγχου (ελεγκτήρων) των, με βάση τις παραπάνω ανοχές, κατεργαζομένων προϊόντων. Για να αποφευχθεί η πολυτυπία αυτή, οι τεχνικές προδιαγραφές (ISO, DIN, ANSI κ.λ.π.) συνιστούν ορισμένους μόνο συνδυασμούς κατηγοριών και ποιοτήτων για εφαρμογή στην βιομηχανική παραγωγή. Με τον τρόπο αυτό περιορίζεται αφ ενός το πλήθος των τυποποιημένων συναρμογών άρα και των απαραίτητων ελεγκτήρων και αφ ετέρου ικανοποιούνται όλες οι απαιτήσεις των εμφανιζομένων στην πράξη περιπτώσεων. Ακόμη μεγαλύτερη απλοποίηση επιφέρει η υιοθέτηση/εφαρμογή των λεγομένων βασικών 2 συστημάτων συναρμογών. Τα συστήματα αυτά είναι 2, το σύστημα βασικού άξονα (shaft basis system) και το σύστημα βασικού τρήματος (hole basis system) και τα παρουσιάζω συνοπτικά στη συνέχεια. Σύστημα βασικού άξονος (Β.Α) Στο σύστημα αυτό, για μια ονομαστική διάμετρο του άξονα προβλέπεται η ίδια σταθερή κατηγορία ανοχής h. Ο χαρακτήρας της συναρμογής καθορίζεται από την κατάλληλα επιλεγμένη κατηγορία ανοχής του τρήματος, βλέπε Σχήμα 3.8(α) Η μέγιστη διάσταση του άξονα ισούται με την ονομαστική. Το σύστημα αυτό προτιμάται σε υφαντουργικά μηχανήματα, αγροτικές μηχανές, ανυψωτικές μηχανές, άξονες μεταφοράς ροπής, κ.λπ, δηλαδή, σε περιπτώσεις, όπου ένας λείος άξονας χωρίς ιδιαίτερες διαβαθμίσεις στη διάμετρο του, ικανοποιεί τις κατασκευαστικές και λειτουργικές ανάγκες. Με αναφορά στο Σχήμα 3.5 διαπιστώνεται ότι η συναρμολόγηση/συναρμογή ενός άξονα κατηγορίας h με τρήματα των διαφόρων κατηγοριών ανοχής δίνει τις ακόλουθες συναρμογές: άξονας κατηγορίας h με τρήμα κατηγορίας Α - H συναρμογή ελεύθερη άξονας κατηγορίας h με τρήμα κατηγορίας J - N συναρμογή αμφίβολη άξονας κατηγορίας h με τρήμα κατηγορίας P -Z συναρμογή σφικτή Σύστημα βασικού τρήματος (Β.Τ) Στο σύστημα αυτό για μια ονομαστική διάσταση τρήματος προβλέπεται σταθερή κατηγορία ανοχής Η.. Ο επιθυμητός χαρακτήρας της συναρμογής (ελεύθερη, κ.λπ) καθορίζεται μονοσήμαντα από την κατάλληλα επιλεγμένη κατηγορία ανοχής του άξονα. Η ελάχιστη διάσταση του τρήματος ισούται με την ονομαστική διάσταση. Το σύστημα αυτό έχει εφαρμογή στις περισσότερες των κατασκευών (αυτοκίνητα, ηλεκτρικές μηχανές, εργαλειομηχανές). Είναι, γενικά, προτιμητέο, επειδή μηχανουργικά είναι ευκολότερο να πετύχουμε μια συγκεκριμένη ποιότητα ανοχής σ 2 Αντί του όρου «βασικό σύστημα» ορθότερη, λειτουργικά, είναι η χρήση του όρου «ενιαίο σύστημα», αλλά προτιμήθηκε ο όρος που έχει επικρατήσει, έστω και εσφαλμένα, στην ελληνική τεχνική βιβλιογραφία. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-14

15 ένα άξονα παρά σε τρήμα. Επίσης είναι και οικονομικότερο, γιατί δεν απαιτεί μεγάλη ποικιλία εργαλείων (π.χ. αλεζουάρ), χρονοβόρων κατεργασιών (εσωτερική κυλινδρική λείανση) και ελεγκτήρων. (α) (β) Σχήμα 3.8: Μηχανολογική κατασκευή με συναρμογές κατά το σύστημα (α) βασικού άξονα και (β) βασικού τρήματος. Επισημαίνεται ότι από τους πολλούς επιτρεπόμενους συνδυασμούς των συστημάτων Β.Τ και Β.Α στην κατασκευαστική πρακτική εφαρμόζονται ολίγοι, συγκεκριμένοι συνδυασμοί που ωστόσο επιτρέπουν την κλιμάκωση των συναρμογών Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-15

16 από την πλέον ελεύθερη («τρελή») έως την πλέον σφικτή (σχεδόν μόνιμη σύνδεση). Οι συνδυασμοί αυτοί (κατά ISO ή DIN ή ANSI/ASME) περιλαμβάνονται σε ειδικά τεχνικά εγχειρίδια. Ο Πίνακας 3.4 που ακολουθεί παρουσιάζει συνοπτικά τις προτιμώμενες συναρμογές κατά DIN/IS0. Με αναφορά τον Πίνακα αυτό, επισημαίνονται τα ακόλουθα σχετικά με την επιλογή συναρμογών: β Η ανοχή δεν πρέπει ποτέ να λαμβάνεται μικρότερη της αναγκαίας (εκθετική αύξηση του κόστους) β Για μεγάλη χάρη δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται λεπτές ποιότητες β Το τρήμα συνήθως κατασκευάζεται μία ποιότητα μεγαλύτερη («χονδρότερη») απ ότι ο άξονας (π.χ. τρήμα Η7 με άξονα h6). Πίνακας 3.4: Προτιμώμενες συναρμογές κατά DIN/IS0. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-16

17 3.3.4 Επίδραση θερμοκρασίας σε ανοχές συναρμογές Στο σύστημα ανοχών κατά ISO θερμοκρασία αναφοράς λαμβάνεται η θερμοκρασία των 20 ο C. Κατά συνέπεια πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ της χάρης στη θερμοκρασία συναρμολόγησης (συνήθως θερμοκρασία περιβάλλοντος / αναφοράς = 20 ο C) και της χάρης στη θερμοκρασία λειτουργίας δεδομένου ότι οι δύο αυτές θερμοκρασίες είναι, συνήθως διαφορετικές οπότε για συνεργαζόμενα εξαρτήματα από διαφορετικά υλικά με μεταβολή της θερμοκρασίας η χάρη, ενδεχομένως, μεταβάλλεται. Με την μεταβολή της θερμοκρασίας και με βάση τον συντελεστή γραμμικής διαστολής, μεταβάλλεται η πραγματική διάσταση ενός απάρτιου (άξονα ή τρήματος) και άρα η μέγιστη και η ελάχιστη διάσταση κατά σταθερό αριθμό. Κατά συνέπεια το εύρος της ανοχής (= ποιότητα) παραμένει το ίδιο αλλά μεταβάλλεται ο χαρακτήρας της ανοχής. Σε μία συναρμογή με άξονα και τρήμα από ίδιο υλικό δεν μεταβάλλονται, με την μεταβολή της θερμοκρασίας, η μέγιστη και η ελάχιστη χάρη. Εάν όμως ο άξονας και το τρήμα είναι από διαφορετικό υλικό τότε, ενδεχομένως, η συναρμογή να αλλάξει χαρακτήρα Στατιστική μελέτη ανοχών - συναρμογών Κατά την κατεργασία μιας διάστασης σ ένα μεγάλο πλήθος τεμαχίων οι πραγματικές διαστάσεις δεν κατανέμονται ομοιόμορφα εντός του πεδίου ανοχής. Παρατηρείται δηλαδή μεγαλύτερη συγκέντρωση πραγματικών διαστάσεων σε μια περιοχή, γεγονός που οφείλεται στην επίδραση παραγόντων όπως η εργαλειομηχανή και τα εργαλεία, η ανομοιογένεια του κατεργαζόμενου υλικού, ο ανθρώπινος παράγωνχειριστής κ.λπ. Οι παράγοντες αυτοί επιδρούν κατά τυχαίο τρόπο, κατά συνέπεια γίνεται δεκτό ότι σ ένα μεγάλο σύνολο παραγωγής, η διασπορά των πραγματικών διαστάσεων ακολουθεί την κανονική κατανομή κατά Gauss. Κατά συνέπεια, για κατεργασίες που λειτουργούν σε συνθήκες στατιστικού ελέγχου θα πρέπει το πεδίο ανοχών, Τ, να προδιαγράφεται ± 3 σ, ώστε να υπάρχει πολύ μικρή πιθανότητα παραγωγής σκάρτων. Στις πρακτικές εφαρμογές συνήθως λαμβάνεται: (Α: άξονας, Β: τρήμα, σ: τυπική απόκλιση) Τ Α = 6 σ Α και Τ Β = 6 σ Β [3.3] Η ανοχή Τ = ± 3 σ, ονομάζεται στην βιβλιογραφία τυπική ανοχή (natural tolerance) και διασφαλίζει ότι το 99, 7% μιας (μεγάλης) παραγωγής βρίσκεται εντός των προδιαγεγραμμένων ορίων. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-17

18 Με την προϋπόθεση ότι οι διαστάσεις αξόνων και τρημάτων ακολουθούν την κανονική κατανομή, η χάρη της συναρμογής ακολουθεί επίσης κανονική κατανομή με μέση τιμή την μέση χάρη και τυπική απόκλιση σ Χ που δίδεται από την σχέση: σ x = (σ 2 Α + σ 2 Β ) 1/2 = [ (Τ Α /6) 2 + (Τ Β /6) 2 ] 1/2 [3.4] Η παραδοχή κατανομής των πραγματικών διαστάσεων αξόνων και τρημάτων κατά Gauss, παρέχει την δυνατότητα χρήσιμων στατιστικών υπολογισμών Σύνθεση ανοχών - συναρμογών Συνηθέστατα, στην πράξη, εμφανίζεται η ανάγκη συναρμολόγησης δύο ή περισσοτέρων εξαρτημάτων με τον περιορισμό το συναρμολογημένο σύνολο να έχει δεδομένη ανοχή ή να αφήνει δεδομένη χάρη (κενό) από το «κέλυφος» μέσα στο οποίο τοποθετείται. Η επίλυση των προβλημάτων αυτών βασίζεται στις ακόλουθες 4 αρχές σύνθεσης ανοχών. Πρόσθεση βλέπε Σχήμα 3.9(α) Στην περίπτωση αυτή ζητούνται οι οριακές διαστάσεις Γ y x Προφανώς ισχύει για τις ονομαστικές διαστάσεις Γ = Α + Β Για τις ανοχές εύκολα προκύπτει: y = β + δ και x = α +γ Κατά συνέπεια: Α β α + Β δ γ = (Α + Β) β+δ α+γ [3.5] Αφαίρεση βλέπε Σχήμα 3.9(β) Η βασική σχέση που διέπει το πρόβλημα είναι Α β α Β δ γ = Χ y x Προκύπτει: Α β α - Β δ γ = (Α - Β) β-γ α-δ [3.6] Το μέγεθος (μήκος) (Α - Β) β-γ α-δ παριστά την διάσταση του κενού χώρου Χ και όχι την διάσταση τεμαχίου που τυχόν θα εισαχθεί στον κενό χώρο. Αφαίρεση με δεδομένο τον κενό χώρο βλέπε Σχήμα 3.9(γ) Με δεδομένες τις ονομαστικές διαστάσεις και τις ανοχές του τεμαχίου Α β α και του κενού χώρου Χ δ γ ζητούνται οι οριακές διαστάσεις του τεμαχίου Β y x. Προφανώς ισχύει για τις ονομαστικές διαστάσεις Β = Α - Χ Για τις ανοχές προκύπτει: y = α - γ και x = β δ Το ζητούμενο αποτέλεσμα είναι: Α β α (Α Χ) α-γ β-δ = (Χ) δ γ [3.7] Πρέπει Τ Α < Τ Χ, άλλως δεν υπάρχει λύση Πρόσθεση με δεδομένο το άθροισμα βλέπε Σχήμα 3.9(δ) Στην περίπτωση αυτή ζητούνται οι οριακές διαστάσεις του τεμαχίου Β y x. Το ζητούμενο αποτέλεσμα είναι: Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-18

19 Α β α + (Γ Α) δ-β γ-α = Γ δ γ [3.8] Πρέπει Τ Α < Τ Γ, άλλως δεν υπάρχει λύση Οι ανοχές x, y,α, β, γ, και δ ενδέχεται να λαμβάνουν θετική, αρνητική ή μηδενική τιμή. Σχήμα 3.9: Οι τέσσερις βασικές περιπτώσεις σύνθεσης ανοχών. (προέλευση: Παπαδανιήλ, 1979) Γενικά, η ανοχή του αθροίσματος ή της διαφοράς διαστάσεων ισούται προς το άθροισμα των ανοχών δεδομένου ότι η ανοχή είναι το μέγιστο επιτρεπόμενο σφάλμα (βλέπε Κεφ. 2) και το σφάλμα αυτό είναι πάντα θετικό. Σημειώνεται επίσης ότι για πλέον πολύπλοκες περιπτώσεις συναρμογών, για τον προσδιορισμό των τελικών ανοχών, χρησιμοποιείται το λεγόμενο διάγραμμα διαστάσεων, βλέπε Πετρόπουλος (χ.χ). 3.4 Αγγλοσαξονικό σύστημα ανοχών - συναρμογών Είναι, γενικά, γνωστό ότι στις Αγγλοσαξονικές χώρες, παράλληλα με την χρήση του συστήματος S.I., είναι ευρέως διαδεδομένο και εν χρήσει το λεγόμενο «αγγλικό σύστημα μονάδων» ενώ επιπρόσθετα οι χώρες αυτές χρησιμοποιούν και ένα «ίδιο» σύστημα προδιαγραφών (ΑISI, ANSI, CSA κ.α). Με δεδομένη την συμβολή των χωρών αυτών στην παγκόσμια βιομηχανική παραγωγή κρίνεται επιβεβλημένη μια ειδική αναφορά στο Αγγλοσαξονικό σύστημα ανοχών συναρμογών. Η εφαρμογή του μετρικού συστήματος ανοχών συναρμογών καθορίζεται από την προδιαγραφή ANSI/ASME B4.2 (1978) η οποία, γενικά, συμφωνεί με τους αντίστοιχους κανονισμούς IS0. Επιπρόσθετα, προτείνει ένα συγκεκριμένο (μικρό) Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-19

20 αριθμό συναρμογών (preferred metric fits) για τις τυπικές περιπτώσεις συναρμολόγησης, βλέπε ενδεικτικά, Bertoline et al, (1997), p.703. Ιδιαίτερα διαδεδομένο είναι το σύστημα συναρμογών ακρίβειας (preferred precision fits) που χρησιμοποιεί το «αγγλικό σύστημα μονάδων» και περιγράφεται στην προδιαγραφή ANSI/ASME B4.1 (1967). Πρόκειται για ένα σύστημα βασικού τρήματος που για διαστάσεις έως 200 in προδιαγράφει πέντε ομάδες συναρμογών: Running and sliding fits (RC) περιλαμβάνει 9 υποομάδες: RC1 RC9 Clearance locational fits (LC) περιλαμβάνει 11 υποομάδες: LC1 LC11 Transition locational fits (LT) περιλαμβάνει 6 υποομάδες: LT1 LT6 Interference locational fits (LN) περιλαμβάνει 3 υποομάδες: LN1 LN3 Force and shrink fits (FN) περιλαμβάνει 5 υποομάδες: FN1 FN5 Οι ομάδες (RC) και (LC) αφορούν ελεύθερες συναρμογές, η ομάδα (LT) αμφίβολες συναρμογές και οι ομάδες (LN) και (FN) σφικτές συναρμογές (μόνιμες συνδέσεις). Αναλυτικοί πίνακες με τις οριακές τιμές ανοχών-συναρμογών περιέχονται στο πρότυπο που προαναφέρθηκε. Λεπτομέρειες για την εφαρμογή του συστήματος αυτού παρατίθενται στις βιβλιογραφικές αναφορές, Bertoline et al, (1997) και Mott, (2004). 3.5 Ελεγκτήρες ανοχών - συναρμογών Ο έλεγχος των ανοχών γίνεται με ειδικά όργανα μετρήσεως που ονομάζονται ελεγκτήρες. Για κάθε διάμετρο και ανοχή υπάρχει, συνήθως και διακριτός ελεγκτήρας και μάλιστα ένας για τον άξονα και ένας για το τρήμα (οπή). Υπενθυμίζεται ότι με τον ελεγκτήρα δεν γίνεται μέτρηση αλλά «διαπίστωση» (= έλεγχος) ότι η εξεταζόμενη διάσταση βρίσκεται εντός δεδομένων οριακών τιμών. Για τον λόγο αυτό οι ελεγκτήρες ανοχών ονομάζονται και ελεγκτήρες ορίου. Ο ελεγκτήρας αξόνων έχει σχήμα πετάλου και είναι σταθερός με απλό ή διπλό πέταλο, βλέπε Σχήμα 3.10(α) ή ρυθμιζόμενος με μονό πέταλο. Ο ρυθμιζόμενος, βλέπε Σχήμα 3.10(β) έχει το πλεονέκτημα να ρυθμίζεται για μία μικρή αλλά σημαντική περιοχή ονομαστικών διαστάσεων και για οποιαδήποτε κατηγορία και ποιότητα ανοχών άξονα. Το γεγονός συντελεί στη μείωση του αριθμού των απαραίτητων ελεγκτήρων αλλά αντισταθμίζεται από το μειονέκτημα της σχετικά συχνής απορύθμισης τους. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-20

21 Σχήμα 3.8: Ελεγκτήρες αξόνων: (α) σταθερός ελεγκτήρας διπλού πετάλου και (β) ρυθμιζόμενος ελεγκτήρας μονού πετάλου. Κατά τον έλεγχο ενός άξονα με ελεγκτήρα διπλού πετάλου θα πρέπει ο (αποδεκτός) άξονας να περνά από την μεγάλη διάσταση του ελεγκτήρα («καλή» πλευρά ή πλευρά «GO») και να μην περνά από την πλευρά με την μικρή διάσταση («κόκκινη» πλευρά ή πλευρά «NOT GO»). Αν περνά και από αυτή την πλευρά, τότε πρόκειται για μη αποδεκτό (σκάρτο). Η «λειτουργία» του ελεγκτήρα γίνεται σαφέστερη με ένα παράδειγμα: Ο ελεγκτήρας του Σχήματος 3.10(α) χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ενός άξονα με ονομαστική διάμετρο Ν = 30 mm και ανοχή h6. Με βάση τον Πίνακα 3.1 και τους θεμελιώδεις ορισμούς των ανοχών η αποδεκτή διάμετρος του άξονα είναι: 30,000 Ν 29, 987 mm (= 30 mm - 13 μm). Εκ κατασκευής, η μεγάλη διάσταση του ελεγκτήρα είναι 30 mm και η μικρή διάσταση 29,987 mm, βλέπε Σχήμα 3.10(β). Ένας αποδεκτός άξονας με διάμετρο, π.χ. 29,995 mm θα περνά από την διάμετρο (άνοιγμα) των 30 mm, αλλά δεν θα περνά, αφού είναι μεγαλύτερος, από την διάμετρο (άνοιγμα) των 29,987 mm. Ένας μη αποδεκτός άξονας με διάμετρο, π.χ. 29,980 mm (υποδιάστατος) θα περνά προφανώς και από την μικρή διάσταση του ελεγκτήρα. Αντίθετα, ένας άξονας με διάμετρο, π.χ. 30,51 mm (υπερδιάστατος) δεν θα περνά ούτε από την μεγάλη διάμετρο. Διαπιστώνουμε ότι με τον ελεγκτήρα επιτυγχάνουμε και τον διαχωρισμό (διαλογή) των μη αποδεκτών εξαρτημάτων σε υποδιάστατα και υπερδιάστατα Για την περίπτωση του άξονα, τα υποδιάστατα απάρτια είναι όντως άχρηστα (σκάρτα), τα υπερδιάστατα όμως είναι επισκευάσιμα, π.χ. με επανακατεργασία τόρνευσης και μείωση της διαμέτρου από 30,51 mm σε 29,99 mm. Οι ελεγκτήρες τρημάτων είναι κυλινδρικοί ή πεπλατυσμένοι, μονοί (μόνο μεγίστου) ή διπλοί (μεγίστου-ελαχίστου). Οι διάφορες παραλλαγές στη διαμόρφωση τους παρουσιάζονται στο Σχήμα Κατά τον έλεγχο ενός τρήματος με διπλό ελεγκτήρα πρέπει να περνά η «μικρή» και να μην περνά η «μεγάλη» διάσταση. Σε κάθε άλλη περίπτωση το (ελεγχόμενο) τρήμα είναι μη αποδεκτό. Συνήθως ο κύλινδρος της μεγάλης διάστασης (πλευρά «NOT GO») είναι αισθητά μικρότερος από τον κύλινδρο της «καλής» πλευράς (πλευρά «GO) Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-21

22 για εύκολη οπτική αναγνώριση και διευκόλυνση κατά τον έλεγχο μεγάλων παρτίδων, βλέπε Σχήμα 3.11(β). Οι ελεγκτήρες γενικά, είναι όργανα απλά αλλά ευπαθή. Η χρήση τους και η διενέργεια των ελέγχων πρέπει να γίνεται από ειδικευμένο προσωπικό, ακολουθώντας τις οδηγίες του κατασκευαστή και την «καλή πρακτική» χρήσης μετρολογικού/ μετροτεχνικού εξοπλισμού, βλέπε ενδεικτικά Σχήμα 3.12, επίσης το Κεφάλαιο 2 και την βιβλιογραφική παραπομπή Λαζαρίδης, (1991). Σχήμα 3.11: Ελεγκτήρες τρημάτων: (α) κυλινδρικοί μονοί (β) κυλινδρικός διπλός και (γ) πεπλατυσμένος διπλός ελεγκτήρας. Σχήμα 3.12: Χρήση ελεγκτήρων. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-22

23 3.6 Ανοχές μορφής και θέσης Όμως, πέραν των γραμμικών διαστάσεων, κάθε αντικείμενο (εξάρτημα, υποσύνολο, ολοκληρωμένη κατασκευή) χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη μορφή που αποτελείται από επιμέρους στοιχεία καθορισμένης γεωμετρίας, βλέπε Σχήμα Κατ αντιστοιχία με την περίπτωση των διαστάσεων ορίζουμε ανοχή(ές) μορφής και ανοχή(ές) θέσης. Οι ανοχές μορφής και θέσης απαρτίζουν τις λεγόμενες γεωμετρικές ανοχές (geometrical tolerances). Στις γεωμετρικές ανοχές περιλαμβάνονται και οι γενικές ανοχές για διαστάσεις μήκους και γωνιών, βλέπε ενότητα 3.1. Σχήμα 3.13: Γεωμετρικά στοιχεία ενός αντικειμένου. Αποκλίσεις μορφής είναι τα γεωμετρικά ελαττώματα που αναφέρονται στην μορφή της «ελεγχόμενης» επιφάνειας ανεξάρτητα από τις υπόλοιπες επιφάνειες του ίδιου αντικειμένου. Αποκλίσεις θέσης θεωρούμε τις αποκλίσεις μέσα στις οποίες πρέπει να περιλαμβάνεται η θέση ενός γεωμετρικού στοιχείου (γραμμή, άξονες, επιφάνεια κ.λπ.) σε σχέση με άλλο στοιχείο του ίδιου αντικειμένου που ονομάζεται στοιχείο αναφοράς. Ένα αντικείμενο αποτελείται γενικά από επί μέρους γεωμετρικά στοιχεία (π.χ επίπεδα, κυλινδρικές επιφάνειες, κ.λπ.), βλέπε και Σχήμα Επειδή στην παραγωγή είναι αδύνατο (αλλά και αντιοικονομικό) να κατασκευασθούν με μαθηματική ακρίβεια τα παραπάνω γεωμετρικά στοιχεία, τα πραγματικά στοιχεία θα παρουσιάζουν αποκλίσεις από την «ιδανική» μορφή αλλά και την σχετική θέση τους πάνω στο αντικείμενο. Για την περιγραφή και τυποποίηση των ανοχών μορφής και θέσης είναι απαραίτητοι οι ακόλουθοι ορισμοί (κατά ISO 1101): Ζώνη ανοχής, είναι η περιοχή (γεωμετρικός τόπος) μέσα στην οποία πρέπει να βρίσκονται όλα τα στοιχεία ενός γεωμετρικού στοιχείου (σημείο, γραμμή, επιφάνεια Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-23

24 κλ.π.). Ενδεικτικά και ανάλογα με το είδος των ανοχών μορφής και θέσης η ζώνη ανοχών μπορεί να είναι: - επιφάνεια που περικλείεται από ένα κύκλο - επιφάνεια που περικλείεται από δύο ομόκεντρους κύκλους - επιφάνεια που περικλείεται από δύο ισαπέχουσες γραμμές ή από δύο παράλληλες ευθείες - χώρος που περικλείεται από ένα κύλινδρο ή δύο ομόκεντρους κυλίνδρους - χώρος που περικλείεται από δύο ισαπέχουσες επιφάνειες ή από δύο παράλληλα επίπεδα Η ανοχή μορφής, περιορίζει την επιτρεπόμενη απόκλιση ενός στοιχείου από την ιδανική γεωμετρική μορφή του. Οι ανοχές θέσης ( ή κατάστασης) είναι ανοχές διευθύνσεως, τόπου και κινήσεως. Περιορίζουν τις επιτρεπόμενες αποκλίσεις από την ιδανική κατάσταση δύο ή περισσοτέρων στοιχείων μεταξύ τους, από τα οποία συνήθως το ένα καθορίζεται ως στοιχείο αναφοράς. Στοιχείο αναφοράς είναι το γεωμετρικό στοιχείο που χρησιμοποιείται ως βάση κατά την καταχώρηση μιας ανοχής θέσης. Ως στοιχείο αναφοράς επιλέγεται, κατά το δυνατόν, εκείνο το στοιχείο που είναι πρωτεύον για την λειτουργία του αντικειμένου. Οι συμβολισμοί που υποδηλώνουν ανοχές μορφής και θέσης συνοψίζονται στον Πίνακα 3.6 που ακολουθεί. Πίνακας 3.6: Συμβολισμοί ανοχών μορφής και θέσης (κατά ISO 1101). Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-24

25 3.7 Ανοχές- Συναρμογές σπειρωμάτων Οι κοχλίες (βίδες) και τα περικόχλια (παξιμάδια)είναι τα πλέον διαδεδομένα (και τυποποιημένα) στοιχεία μηχανών. Η τυποποίηση ανοχών σπειρωμάτων σε συναρμογή κοχλία-περικοχλίου είναι πολυπλοκότερη από την τυποποίηση συναρμογών άξονατρήματος δεδομένου ότι οι ανεξάρτητες μεταβλητές επί των οποίων πρέπει να στηριχθεί η συναρμογή είναι τουλάχιστον 3 για τον κοχλία (μέση διάμετρος d 2, βήμα p και γωνία σπειρώματος α) και άλλες τρείς για το περικόχλιο. Η συναρμογή επηρεάζεται ακόμα από τις εσωτερικές και εξωτερικές διαμέτρους κοχλία και περικοχλίου και από το μήκος κοχλίωσης. Στην περίπτωση αυτή οι κανονισμοί για λόγους απλοποίησης προβλέπουν: μόνο ελεύθερες συναρμογές περιορισμένο αριθμό ποιοτήτων ελάχιστο αριθμό κατηγοριών Γενικά, οι ανοχές σπειρωμάτων είναι πολύ μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες ανοχές αξόνων και τρημάτων. Ενδεικτικά σημειώνεται ότι για την συνήθη ονομαστική διάσταση Ν= 20 mm και για ποιότητα ανοχής ΙΤ 6 για μεν άξονα- τρήμα είναι Τ Α =Τ Β =20 μm ενώ για κοχλία Μ20x2 είναι Τ d2 = 160 μm και για το αντίστοιχο περικόχλιο Τ D2 = 212 μm. Ο έλεγχος των σπειρωμάτων κοχλιών και περικοχλίων γίνεται συνήθως με ελεγκτήρες. Για τον έλεγχο των κοχλιών χρησιμοποιούνται περικόχλια και για τον έλεγχο των περικοχλίων χρησιμοποιούνται ελεγκτήρες-κοχλίες. Στο Σχήμα 3.14 εικονίζονται τυπικοί ελεγκτήρες μεγίστου-ελαχίστου για κοχλία και περικόχλιο. Οι ελεκτήρες αυτοί λειτουργούν με τη λογική «GO» - «NOT GO» που συζητήθηκε στην ενότητα 3.5. Σχήμα 3.14: Ελεγκτήρες σπειρώματος κοχλία και περικοχλίου. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-25

26 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Α) Συγγράμματα-Δημοσιεύσεις Αντωνιάδης, Α.Θ., Μηχανολογικό Σχέδιο, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, Βαξεβανίδης, Ν.Μ., «Μηχανολογική Σχεδίαση», Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο (Ε.Α.Π.), Πάτρα, Καραχάλιου, Χ., Μανσούρ, Γ., Διαστατική μετρολογία, εκδ. Ζήτη, Λαζαρίδης, Π.Ε., Μηχανουργική Τεχνολογία-Εργαστήριο ΙΙ τεύχος Β, Ίδρυμα Ευγενίδου, Αθήνα, Μάμαλης, Α.Γ., Εισαγωγή στη μηχανουργική τεχνολογία, Ε.Μ.Π., Αθήνα, Μπουζάκης, Κ.Δ., Κανονισμοί Μηχανολογικού Σχεδίου, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, Παπαδανιήλ, Ε.Δ., Μηχανουργική Τεχνολογία Ι: Συναρμογές», τεύχος Κ-116, Ε.Μ.Π., Αθήνα, Παπαδανιήλ, Ε.Δ. και Σφαντζικόπουλος, Μ.Μ., Μηχανολογικό Σχέδιο, Εκδόσεις Ε.Μ.Π., Αθήνα, Παπαμητούκας, Β., Μηχανολογικό σχέδιο, εκδ. University Studio Press, 4 η εκδ., Θεσσαλονίκη, Πετρόπουλος, Π.Γ., Μαθήματα Μηχανουργικής Τεχνολογίας Μετροτεχνία, εκδ. Γιαχούδη-Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη, χ.χ. Πετρόπουλος, Π.Γ., Μηχανουργική Τεχνολογία-Εργαστήριο ΙΙ τεύχος Α, Ίδρυμα Ευγενίδου, Αθήνα, Bertoline, G.R., Wiebe, E.N., Miller, C.L., Mohler, J.L., Technical Graphics Communication, WCB Mc-Graw Hill, 2 nd ed., Boston, Grollius, H.W., Technisches Zeichnen fur Maschinenbauer, Carl Hanser Verlag, Meadows, J.D., Geometrical Dimensions and Tolerancing, MarkelDekker, New York, Mott, R.L., Machine Elements in Mechanical Design, Prentice Hall, 4 th ed., New Jersey, Β) Προδιαγραφές ISO (1988): ISO system of limits and fits -- Part 1: Bases of tolerances, deviations and fits. ISO (1988): ISO system of limits - Part 2: Tables of standard tolerance grades and limit deviations for holes and shafts. ISO 406 (1987): Technical drawings - Tolerancing of linear and angular dimensions. ISO 965-1(1998): ISO general-purpose metric screw threads - Tolerances - Part 1: Principles and basic data. ISO 1829 (1975): Selection of tolerance zones for general purposes. ISO (1989): General tolerances -Part 1: Tolerances for linear and angular dimensions without individual tolerance indications. Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-26

27 ISO (1989): General tolerances - Part 2: Geometrical tolerances for features without individual tolerance indications. ISO 1101 (1983) Technical drawings - Geometrical tolerancing - Tolerancing of form, orientation, location and run-out - Generalities, definitions, symbols, indications on drawings. ISO 1101 (1983) / Ext 1 (1983): Toleranced characteristics and symbols -Examples of indication and interpretation. ISO 5458 (1998): Geometrical Product Specifications (GPS) - Geometrical tolerancing - Positional tolerancing ISO 5459 (1981): Technical drawings - Geometrical tolerancing - Datums and datum-systems for geometrical tolerances ISO/TR 5460 (1985): Technical drawings - Geometrical tolerancing - Tolerance of form, orientation, location and run-out -Verification principles and methods - Guidelines ISO (1992): Technical drawings - Tolerancing of orientation and location - Projected tolerance zone DIN (1992): Engineering drawing practice; dimensioning; tolerancing of linear and angular dimensions. DIN (1977): ISO Systems of Limits and Fits; Testing of Workpiece Elements with Cylindrical and Parallel Mating Surfaces. DIN (1966): ISO-fits for the hole basis system; tolerance zones, deviations. DIN (1966): ISO-fits for the hole basic system; tolerances of fit (clearances and interferences). DIN (1966): ISO-fits for the shaft basis system; tolerance zones, deviations. DIN (1966): ISO-fits for the shaft basis system; tolerances of fit (clearances and interferences). DIN 7157 (1966): Recommended Selection of Fits; Tolerance Zones, Allowances, Fit Tolerances. DIN 7162 (1965): Plain Workshop and Inspection Gauges; Manufacturing Tolerances and Permissible Wear. DIN 7168 (1991): General tolerances for linear and angular dimensions and geometrical tolerances. ANSI/ASME B4.1 (1967): Preferred Limits and Fits for Cylindrical Parts, R (1995). ANSI/ASME B4.2 (1978): Preferred Metric Limits and Fits, R (1999). ANSI/ASME Y14.5.1M (1994): Mathematical Definition of Dimensioning and Tolerancing Principles R(1999). ANSI/ASME Y14.5M (1994): Dimensioning and Tolerancing, R (1999). Δρ. Ν.Μ. Βαξεβανίδης, ΑΣΠΑΙΤΕ ( , draft 3) Σελ. 3-27