第10章 工艺尺寸链.ppt

第十章机械制造中的尺寸链 10 1尺寸链的定义和组成 一 尺寸链尺寸链指的是在零件加工或机器装配过程中 由相互联系的尺寸形成的封闭尺寸组 1 尺寸链的分类 1 出现在零件中 称之为零件尺寸链 2 由工艺尺寸组成 称之为工艺尺寸链 3 出现在装配中 称之为装配尺寸链 2 尺寸链的含义尺寸链的含义包含两个意思 1 封闭性 尺寸链的各尺寸应构成封闭形式 并且是按照一定顺序首尾相接的 2 关联性 尺寸链中的任何一个尺寸变化都将直接影响其它尺寸的变化 3 方向性 尺寸链中的任何一个环都是首尾相连的矢量 二 尺寸链的有关术语 在零件加工或机器装配过程中 最后自然形成 即间接获得或间接保证 的尺寸 表示方法 下标加 如A L 1 尺寸键的环 构成尺寸链的每一个尺寸都称为 环 可分为 组成环Ai封闭环A 增环减环 2 封闭环 1 由于封闭环是最后形成的 因此在加工或装配完成前 它是不存在的 2 封闭环的尺寸自己不能保证 是靠其它相关尺寸来保证的 2 1封闭环的特点 1 体现在尺寸链计算中 若封闭环判断错误 则全部分析计算之结论 也必然是错误的 2 封闭尺寸通常是精度较高 而且往往是产品技术规范或零件工艺要求决定的尺寸 在装配尺寸链中 封闭环往往代表装配中精度要求的尺寸 而在零件中往往是精度要求最低的尺寸 通常在零件图中不予标注 2 2封闭环的重要性 3 组成环 一个尺寸链中 除封闭环以外的其他各环 都是 组成环 按其对封闭环的影响可分为增环和减环 表示为 Ai Lii 1 2 3 增环 在尺寸链中 当其余组成环不变的情况下 将某一组成环增大 封闭环也随之增大 该组成环即称为 增环 L1为增环 L1 L4为增环 减环 在尺寸链中 当其余组成环不变的情况下 将某一组成环增大 封闭环却随之减小 该组成环即称为 减环 L2 L3 L5为减环 L2 L3 L4为减环 三 尺寸链的分类 1 按不同生产过程来分 1 工艺尺寸链 在零件加工工序中 由有关工序尺寸 设计尺寸或加工余量等所组成的尺寸链 2 装配尺寸链 在机器设计成装配中 由机器或部件内若干个相关零件构成互相有联系的封闭尺寸链 包含零件尺寸 间隙 形位公差等 3 工艺系统尺寸链 在零件生产过程中某工序的工艺系统内 由工件 刀具 夹具 机床及加工误差等有关尺寸所形成的封闭尺寸链 3 空间尺寸链 尺寸链全部尺寸位干几个不平行的平面内 2 按照各构成尺寸所处的空间位置 可分为 1 直线尺寸链 尺寸链全部尺寸位于两根或几根平行直线上 称为线性尺寸链 2 平面尺寸链 尺寸键全部尺寸位于一个或几个平行平面内 3 按照构成尺寸链各环的几何特征 可分为 1 长度尺寸链 所有构成尺寸的环 均为直线长度量 2 角度尺寸链 构成尺寸链的各环为角度量 或平行度 垂直度等 10 2尺寸链的计算方法 1 极值解法 这种方法又叫极大极小值解法 它是按误差综合后的两个最不利情况 即各增环皆为最大极限尺寸而各减环皆为最小极限尺寸的情况 以及各增环皆为最小极限尺寸而备减环皆为最大极限尺寸的情况 来计算封闭环极限尺寸的方法 尺寸链的计算方法 有如下两种 2 概率解法 又叫统计法 应用概率论原理来进行尺寸键计算的一种方法 如算术平均 均方根偏差等 1 已知组成环 求封闭环根据各组成环基本尺寸及公差 或偏差 来计算封闭环的基本尺寸及公差 或偏差 称为 尺寸链的正计算 这种计算主要用在审核图纸 验证设计的正确性 求解尺寸链的情形 1 已知组成环 求封闭环尺寸链的正计算2 已知封闭环 求组成环尺寸链的反计算3 已知封闭环及部分组成环 求其余组成环尺寸链的中间计算 2 已知封闭环 求组成环根据设计要求的封闭环基本尺寸及公差 或偏差 反过来计算各组成环基本尺寸及公差 或偏差 称为 尺寸链的反计算 如齿轮零件轴向尺寸加工 采用的工序如图 现需控制幅板厚度10土0 15 如何控制L1 L2 L3 工序1 车外圆 车两端面后得L1 40工序2 车一端幅板 至深度L2 工序3 车另一端帽板 至深度L3 并保证10士0 15 由上述工序安排可知 幅板厚度10士0 15是按尺寸L1 L2 l3加工后间接得到的 因此 为了保证10士15 势必对L1 L2 L3的尺寸偏差限制在一定范围内 即已知封闭环L 10士0 15 求出各组成环L1 L2 L3尺寸的上下偏差 3 已知封闭环及部分组成环 求其余组成环根据封闭环和其他组成环的基本尺寸及公差 或偏差 来计算尺寸链中某一组成环的基本尺寸及公差 或偏差 其实质属于反计算的一种 也可称作 尺寸链的中间计算 这种计算在工艺设计上应用较多 如基准的换算 工序尺寸的确定等 总之 尺寸链的基本理论 无论对机器的设计 或零件的制造 检验 以及机器的部件 组件 装配 整机装配等 都是一种很有实用价值的 如能正确地运用尺寸链计算方法 可有利于保证产品质量 简化工艺 减少不合理的加工步骤等 尤其在成批 大量生产中 通过尺寸链计算 能更合理地确定工序尺寸 公差和余量 从而能减少加工时间 节约原料 降低废品率 确保机器装配精度 10 2 1尺寸链计算的基本公式 尺寸 偏差及公差之间的关系 尺寸链计算所用符号 也即 尺寸链各环的基本尺寸计算 下图为多环尺寸链 各环的基本尺寸可写成等式为 由此可以推得多环尺寸链的基本尺寸的一般公式 上式说明 尺寸链封闭环的基本尺寸 等于各增环基本尺寸之和 减去各减环基本尺寸立和 对于任何一个总数为N的独立尺寸链 若其中增环数为m 由于其封闭环只有有一个 则减环数n为n N 1 m 故 二 极值解法 当增环为最大极限尺寸 而减环为最小极限尺寸时 封闭环为最大极限尺寸 1 各环极限尺寸计算 三环尺寸链极限尺寸计算关系图 同理 当多环尺寸键计算时 则封闭环的极限尺寸可写成一般公式为 2 各环上 下偏差的计算 根据上述的几个式子可得出封闭环上 下偏差计算的一般公式 因为零件图和工艺卡片中的尺寸和公差 一般均以上 下偏差的形式标注 所以该式较为简便迅速 3 各环公差的计算 即 封闭环公差等于所有组成环公差之和 它比任何组成环公差都大 所以应用中应注意 1 在零件设计中 应选择最不重要的环作为封闭环 2 封闭环公差确定后 组成环数愈多 则分到每一环的公差应愈小 所以在装配尺寸链中 应尽量减小尺寸链的环数 即 最短尺寸链原则 结论 三 概率解法 概率解法就可以克服极值解法的缺点 使其应用更为科学 合理 极值解法特点 优点 简便 可靠 可保证不出现不合格品 缺点 根据关系式所分配给各组成环公差过于严格 甚至无法加工 不够科学 不够合理 在大批大量生产中 一个尺寸链中的各组成环尺寸的获得 彼此并无关系 因此可将它们看成是相互独立的随机变量 相互独立的随机变量 经大量实测数据后 从概率的概念来看 有两个特征数 1 算术平均值 这数值表示尺寸分布的集中位置 2 均方根偏差 这数值说明实际尺寸分布相对算术平均值的离散程度 概率解法的数学依据 独立随机变量之和的均方差为 其中 这是用概率法解尺寸链的数学基础 它反映了封闭环误差与组成环误差间的基本关系 1 各环公差计算 由于尺寸链计算时 不是均方根偏差间的关系 而是以误差量 或公差 间的关系来计算的 所以上述公式需改写成其它形式 当零件尺寸为正态分布曲线时 其偶然误差 与均方根误差 间的关系 可表达为 反映了封闭环误差与组成环误差间的基本关系 若尺寸链中各组成环的误差分布 都遵循正态分布规律时 则其封闭环也将遵循正态分布规律 若取公差带T 6 则封闭环的公差与各组成环的公差关系可表示为 6 即 正态分布各环公差计算公式 当零件尺寸分布下为非正态分布时 封闭环公差计算时须引入 相对分布系数K K表示所研究的尺寸分布曲线的不同分布性质 即曲线的不同分布形状 非正态分布时各环公差计算 各种K值可参考图表 正态分布时 非正态分布时 所以 封闭环公差的一般公式为 一些尺寸分布曲线的K及e值 若各组成环公差相等 即令Ti TM时 则可求得各环的平均公差为 在计算同一尺寸链时 用概率解法可将组成环平均公差扩大倍 概率解法与极值解法的比较 极值解法 但实际上 由于各组成环通常未必是正态分布曲线 即Ki 1 故实际所求得的扩大倍数比小些 极值解法时的 是包括了封闭环尺寸变动时一切可能出现的尺寸 即尺寸出现在范围内的概率为100 而概率解法时的 是正态分布下取误差范围内的尺寸变动 即尺寸出现在该范围内的概率为99 73 由于超出之外的概率仅为0 27 这个数值很小 实际上可认为不至于出现 所以取作为封闭环尺寸的实际变动范围是合理的 用概率解法可将组成环平均公差扩大倍的原因 基准不重合时的尺寸换算包括 测量基准与设计基准不重合时的尺寸换算 定位基准与设计基准不重合时的尺寸换算 10 3工艺过程尺寸链 工艺尺寸链正确地绘制 分析和计算工艺过程尺寸链 是编制工艺规程的重要手段 下面就来看看工艺尺寸链的具体运用 一 基准不重合时的尺寸换算 1 测量基准与设计基准不重合时的尺寸换算 测量基准与设计基准不重合的尺寸换算在生产实际中是经常遇到的 如图所示 图中要加工三个圆弧槽 设计基准为与 50同心圆上的交点 若为单件小批生产 通过试切法获得尺寸时 显然在圆弧槽加工后 尺寸就无法测量 因此 在拟定工艺过程时 就要考虑选用圆柱表面或选用内孔上母线为测量准来换算出尺寸 设计基准 解 以 50下母线为测量基准时 可画出如下尺寸链 在该尺寸链中 外径是由上道工序加工直接保证的 尺寸t应在本测量工序中直接获得 均为组成环 而R5是最后自然形成且满足零件图设计要求的封闭环 故该尺寸链中 外径是增环 t是减环 求基本尺寸 t 45 求t的上 下偏差 xt 0 st 0 2 故测量尺寸t为 验算 T5 T50 T45 即0 3 0 1 0 2 同理 以选内孔上母线C为测量基准时 可画出如下尺寸链 这时 外圆半径为增环 内孔半径及尺寸h为减环 R5仍为封闭环 计算后可得h的测量尺寸为 2 定位基准与设计基准不重合时的尺寸换算 图中 设计尺寸为 350 0 30 设计基准为下底面 为使镗孔夹具能安置中间导向支承 加工中以箱体顶面作为定位基准 此时 A为工序尺寸 则A的计算为 基本尺寸 A 600 350 250 又因为 即 由于尺寸350和600均为对称偏差 故 A 250 0 10 二 多工序尺寸换算 在实际生产中 特别当工件形状比较复杂 加工精度要求较高 各工序的定位基准多变等情况下 其工艺过程尺寸链比较复杂 有时一下不易辨清 尚需作进一步深入分析 下面介绍几种常见的多工序尺寸换算 1 从待加工的设计基准标注尺寸时的计算 如图所示的某一带键糟的齿轮孔 按使用性能 要求有一定耐磨性 工艺上需淬火后磨削 则键槽深度的最终尺寸不能直接获得 因其设计基准内孔要继续加工 所以插键槽时的深度只能作加工中间的工序尺寸 拟订工艺规程时应把它计算出来 工序1 镗内孔至工序2 插键槽至尺寸A 工序3 热处理 工序4 磨内孔至 现在要求出工艺规程中的工序尺寸A及其公差 假定热处理后内孔的尺寸涨缩较小 可以忽略不计 工序为 按加工路线作出如图四环工艺尺寸链 其中尺寸46为要保证的封闭环 A和20为增环 19 8为减环 按尺寸链基本公式进行计算 解 方法一 0 30 0 025 sA 0 sA 0 275 0 0 xA 0 05 xA 0 050 基本尺寸 偏差 因此A的尺寸为 按 入体 原则 A也可写成 方法一看不到尺寸A与加工余量的关系 为此引进的半径余量Z3 2 此时可把方法一中的尺 解 方法二 在图 B 中 余量Z3 2为封闭环 在图 C 中 则46为封闭环 而Z3 2为组成环 由此可见 要保证尺寸46 就要控制Z3的变化 而要控制Z3的变化 又要控制它的两个组成环19 8及20的变化 故工序尺寸A 既可从图 A 求出 也可从图 B C 求出 但往往前者便于计算 后者便于分析 寸链分解成两个各三环尺寸链 2 零件进行表面工艺时的工序尺寸换算 机器上有些零件如手柄 罩壳 等需要进行镀铬 镀铜 镀锌等表面工艺 目的是为美观和防锈 表面没有精度要求 所以也没有工序尺寸换算的问题 但有些零件则不同 不仅在表面工艺中要控制镀层厚度 也要控制镀层表面的最终尺寸 这就需要用工艺尺寸链进行换算了 计算方法按工艺顺序而有些不同 例1 大量生产中 一般采用的工艺 车 磨 镀层 图 a 中圆环 外径镀铬 要求保证尺寸 并希望镀层厚度0 025 0 04 双边为0 05 0 08 求镀前尺寸 机械加工时 控制镀前尺寸和镀层厚度 由电镀液成份及电镀时参数决定 直接获得 而零件尺寸是镀后间接保证的 所以它是封闭环 列出如图工艺尺寸链 解之得 解 A 28 0 08 27 92 0 0 sA sA 0 0 045 0 03 xA xA 0 015 即 镀前尺寸为 四 图表跟踪法 求解尺寸链时 有时同一方向上有的较多个尺寸 加工时定位基准又需多次转换 这时 工序尺寸相互联系的关系相当复杂 其工序尺寸 余量及公差的确定问题 就需要从整个工艺过程的角度 用工艺过程尺寸链作综合计算 图表跟踪法便是进行这种综合计算的有效方法 10 4装配尺寸链 任何机器都由许多零件和部件 按照一定的技术要求组而合成的 机器装配可分为组装 部装和总装 组装 由若干零件组合成组件 部装 若干组件个零件组成部件 总装 由部件 组件 零件组合 装配完成的机器 大都必须满足一定的装配精度 装配精度是衡量机器质量的一个重要指标 要达到装配精度 固然与组成机器的每一个零件的加工精度有关 但与装配的工艺技术也有很大关系 有时甚至必须依靠装配工艺技术才能达到产品质量 特别在机器精度要求较高 批量较小时 在长期的装配实践中 人们根据不同的机器 不同的生产类型和条件 创造了许多巧妙的装配工艺方法 这些保证装配精度的工艺方法 可以归纳为四种 完全互换法分级选配法修配法调节法 一 互换装配法 互换法的优点是 1 装配工作简单 生产率高 2 有利于组织流水生产 3 便于将复杂的产品在许多工厂中协作生产 4 同时也有利于产品的维修和配件供应 缺点 难以适应装配精度要求很高的场合 互换装配法 就是机器中每个零件按图纸加工合格以后 不需再经过任何选择 修配和调节 就达到完全互换要求 可以把它们装配起来 并能达到规定的装配精度和技术要求 什么是互换装配法 例 如图所示为齿轮箱部件 装配后要求轴向窜动量为0 2 0 7mm 即 已知其他零件的有关基本尺寸是 A1 122 A2 28 A3 5 A4 140 A5 5 试决定其上下偏差 互换法常有极值解法和概率解法 1 极值解法 1 画出装配尺寸链 校验各环基本尺寸 封闭环基本尺寸为 基本尺寸正确 2 确定各组成环尺寸的公差大小和分布位置 为了满足封闭环公差要求T 0 5 各组成环公差Ti的累积值 Ti不得超过此0 50值 即应满足 问题 如何既方便又经济合理的分配确定各组成环的公差Ti 通常 把封闭环公差 T 0 5 分配到各组成环公差 Ti 的方法有三种 1 等公差2 等精度3 按加工难易程度 即将T 平均分摊到各个组成环Ti 再按公差分配的 入体原则 将各环T 写成偏差 按等公差分配 问题 A4如何取 今特意留下一个环A4作为该尺寸链的 协调环 即A4的上 下偏差应通过计算获得 故 进行验算 T T1 T2 T3 T4 T5 0 10 0 10 0 10 0 10 0 10 0 50 计算结果符合装配精度要求 等公差法计算方便 但未考虑各零件的基本尺寸差异 因此各零件的精度等级不同 显然不太合理 在同一尺寸链中基本尺寸大致差不多的情况下 此法应用广泛 按等精度分配假定这台机器中每个零件都是同样的精度等级 则分配公差时 凡基本尺寸大的零件给公差较大 反之较小 这较为合理 据 公差与技术测量 书中知 公差T a I式中 a 公差等级系数 I 公差单位 而 用等精度法分配公差时 可查表得出该尺寸链中各组成环基本尺寸相应的公差单位值 Ij 再求出 平均公差等级系数 M A B 分别为尺寸分段的首尾两个尺寸值 这样 便可得出各组成环公差值 T1 2 52 64 0 1