Роль калибров в современном машиностроении

Калибры были одним из первых измерительных инструментов, применяемых при изготовлении деталей и механизмов машин, главным образом, сопрягаемых деталей, например, ствола ружья и пули, вала и втулки, винта и гайки и т.п.

Собственно говоря, калибр не является измерительным средством. С его помощью нельзя определить размер детали. Можно определить только ее пригодность для сборки с другой деталью.

Сначала применяли один, так называемый нормальный калибр, который обеспечивал собираемость деталей. Однако хорошее функционирование собранной пары такой калибр обеспечить не мог, потому что не  показывал какой   зазор (натяг) получился  в сопрягаемой паре деталей.

На рубеже XX века с ростом серийного и массового  производства была разработана система допусков и посадок и появилось понятие взаимозаменяемость. На этой нормативной базе возник  новый принцип организации производства изделий на базе раздельного изготовления сопрягаемых  деталей с  выполнением их размеров в таких пределах, которые при произвольном сочетании деталей на сборке обеспечивают удовлетворение функциональных требований к изделию (заданный зазор или натяг).  В этих условиях для изготовления деталей с заданным полем допуска стали применять так называемые предельные  калибры – проходной и непроходной, соответствующие допуску на деталь.

Конструкция, теория и нормативные документы (ГОСТы,  международные стандарты ISO и стандарты американского нефтяного института API) на  калибры гладкие и резьбовые  были подробно разработаны на основе системы  допусков и посадок.

Калибры были доминирующим измерительным инструментом в машиностроительном производстве в течение долгого времени. Они изготавливались инструментальными заводами,   специализированными  фирмами и машиностроительными заводами.

Однако, для организации производства калибры чрезвычайно неудобный инструмент. На инструментальных складах машиностроительных заводов хранились сотни, а иногда и тысячи калибров, так как каждый калибр годен для контроля только одного размера  детали. Кроме того, для проверки годности калибров необходимы были контркалибры. Калибры быстро изнашивались, иногда в течение одной смены, и их приходилось ремонтировать и аттестовывать. Также следует иметь в виду, что калибры только сортировали изготовленные детали на годные и брак, но не определяли их действительные размеры. Калибры мало пригодны для настройки станков, так как не показывают размер детали.

Поэтому с появлением механических, пневматических,  электронных и оптических измерительных приборов и  построенных на их базе контрольных приспособлений и измерительных устройств  применение калибров на производстве стало быстро сокращаться.

В настоящее время лишь в некоторых областях машиностроения, когда контроль размеров изделий приборами затруднен, например, при контроле валов и  отверстий малого диаметра (менее 10 мм), при контроле конусов и  при  контроле резьбовых деталей,  применяют калибры.

Также следует иметь в виду, в настоящее время все большее место в машиностроении занимают станки с ЧПУ и безлюдное производство. Для  настройки станков с ЧПУ и безлюдного производства калибры не пригодны и применяют высокоточные приборы и координатно-измерительные машины.

Таким образом, в настоящее время каибры для контроля гладких отверстий и валов выпускаются  в небольших количествах по специалным заказам.

Однако, для измерения валов и отверстий малого диаметра применен оригинальный способ контроля с помощью набора очень точно изготовленных калибров,  размеры которых отличаются на очень небольшую величину. Так,   выпускают наборы калибров с разницей размеров  в 1,0 или 2,0 мкм.

Для измерения отверстий диаметром от 0,5 до 10 мм выпускают наборы предельных и прецизионных  гладких калибров-пробок с  шагом по диаметру пробки  1,0; 2,0 и 10,0 мкм.

Допуск на диаметр калибра-пробки составляет  ±0,4 мкм, а для эталонных калибров-пробок ±0,15 мкм. Длина рабочей части пробок составляет от 1,0 до 50 мм. Шероховатость поверхности Ra менее 0,1 мкм. Калибры-пробки изготовляют  из легированной стали с закаленной до твердости HRC=60-62 рабочей поверхностью.  Калибры-пробки изготовляют также из твердого сплава.

Для измерения валов диаметром от 0,06 до 30 мм выпускают калибры-кольца с шагом размера 1,0 мкм. Допуск на диаметр составляет ±1,25 мкм. Калибры-кольца изготовляют из легированной стали с рабочей поверхностью, закаленной до твердости HRC=60-62. Калибры-кольца изготовляют также  из твердого сплава.

С помощью  наборов  таких точных калибров с шагом диаметров, например,  1,0 мкм можно не только сортировать детали на годные и брак, но и практически достаточно точно определить их диаметр, потому что можно подобрать калибр диаметром очень близким к  размеру контролируемой детали, например, с точностью 1-2 мкм.

Погрешность измерения в данном случае определяется точностью подбора калибра к контролируемой детали (зазором между калибром и деталью), то есть опытностью контролера, и  погрешностью изготовления калибра. Калибр вводится в контролируемую деталь «без зазора»   с заданным небольшим усилием. При таких условиях зазор между контролируемой деталью и калибром  составляет  1,0- 1,5 мкм.

Однако во всех случаях  предельно допустимая погрешность измерения прецизионными калибрами  будет не менее 2,0  мкм. Это точнее, чем при измерении малых размеров универсальными средствами, например, нутромерами, но значительно проще и удобнее.

Прежде большое распространение имели конусные калибры. Однако с распространением точных приборов  для контроля конусов, в том числе координатно-измерительных машин и кругломеров, появилась возможность точно измерять конуса по все поверхности прилегания и применение  конусных калибров существенно сократилось. Тем не менее, часто проверка конусности и припасовка конусов с помощью калибров и краски обеспечивает более высокую точность и надежность конусных соединений и  применяется при изготовлении шпинделей и инструментов.

И, наконец, еще одна область применения калибров, которая сохранилась  в настоящее время – контроль внутренней и наружной резьбы различного назначения. Существуют приборы для контроля отдельных параметров резьбы – наружного, внутреннего и среднего диаметра резьбы, шага резьбы, высоты профиля, погрешности винтовой линии, угла профиля, конусности (для конической резьбы) и др. Но эти приборы полезны при настройке станков и при контроле точной резьбы (ходовые винты, микровинты и т.п.), но они не всегда  обеспечивают свинчиваемость сопрягаемых деталей, прочность и герметичность резьбового соединения. Конечно, можно произвести точное измерение резьбы  с помощью координатно-измерительной машины или современных оптических приборов (микроскопа или проектора), но это не всегда возможно даже в производственных условиях и тем более невозможно в условиях эксплуатации.

Поэтому для комплексной проверки резьбовых деталей широко применяют  резьбовые калибры (резьбовой калибр-пробка и резьбовой калибр-втулка).

Особенно важное значение имеет контроль резьбы на концах нефтегазовых труб, потому что от качества этой резьбы зависит прочность и надежность  соединений труб в том числе, опускаемых в скважину.  Поэтому  основным средство приемки резьбовых изделий остается контроль с помощью калибров.

Достоинством современных резьбовых калибров является то, что их изготавливают на  точных резьбошлифовальных станках с ЧПУ, позволяющих получить отклонение от круглости 0,5-1,0 мкм и шероховатость Ra= 0,1 мкм,  Резьбовые калибры  аттестуют с высокой точностью по всем параметрам резьбы на координатно-измерительных машинах.

Таким образом, в настоящее время практически не  выпускают гладких калибров для контроля диаметров валов и отверстий диаметром более 10-20 мм, но выпускают калибры для контроля валов и отверстий малого диаметра, контроля конусов и контроля резьбы.