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第九章机械装配工艺 第一节机械装配基本问题概述 一 装配的概念任何机器都是由若干零件和部件所组成 根据规定的技术要求 将零件结合成组件和部件 并进一步将零件 组件和部件结合成机器的过程称为装配 将零件与零件的组合过程称组装 其成品为组件 将零件与组件的组合过程称部装 其成品为部件 而将零件 组件和部件的组合过程称为总装 其成品为机器或产品 1 第九章机械装配工艺 二 各种生产类型的装配特点机械装配生产类型按生产批量可分为大批和大量生产 成批生产及单件小批生产三种 生产类型不同 其装配生产组织与工艺特点也有所不同 见下表 各种生产类型装配工艺特点 2 第九章机械装配工艺 三 零件精度与装配精度的关系装配精度一般包括 零部件间的尺寸精度 位置精度 相对运动精度和接触精度等 装配精度是和它相关的若干零部件的加工精度有直接的关系 但是装配精度又不完全取决于零件的加工精度 还与机器或部件的装配工艺有关 四 装配中的连接方式在装配中 零件的连接方式可分为固定连接和活动连接 固定连接是指装配好的相配零件间的相互位置不变 活动连接是指装配后相配合的零件间有相对运动 固定连接又可分为可拆卸连接与不可拆卸连接 可拆卸连接是指在不破坏零件的前提下可将装配好的组件 部件等拆分成零件 并可重新装配 固定不可拆卸的连接方法有 焊接 铆接 过盈配合 嵌铸 粘接等 固定可拆卸的连接方法有 过渡配合 螺纹连接 圆锥连接等 3 第九章机械装配工艺 第二节保证装配精度的方法 保证产品装配精度的方法有 互换法 选配法 修配法和调整法 一 互换法互换装配法是在装配过程中 零件互换后仍能达到装配精度要求的装配方法 根据零件的互换程度的不同 互换法又分为完全互换法和不完全互换法 1 完全互换法在全部产品中 装配时各组成环不需挑选或改变其大小或位置 装配后即能达到装配精度的要求 这种装配方法称为完全互换法 特点是 装配质量稳定可靠 对装配工人的技术等级要求较低 装配工作简单 经济 生产率高 便于组织流水装配和自动化装配 又可保证零 部件的互换性 便于组织专业化生产和协作生产 容易解决备件供应 4 第九章机械装配工艺 采用完全互换装配法时 装配尺寸链采用极值法进行计算 为保证装配精度要求 尺寸链各组成环公差之和应小于或等于封闭环公差 即装配精度要求 在进行装配尺寸链反计算时 即已知封闭环 装配精度 的公差 分配各有关零件 各组成环 公差时 可按等公差原则先确定它们的平均公差 然后根据各组成环尺寸的大小和加工的难易程度 对各组成环的公差进行适当的调整 在调整中可参照下列原则 组成环是标准件时 如轴承环或弹性挡圈等 其公差值及其分布在相应标准中已有规定 为定值 尺寸相近 加工方法相同的组成环 可按等公差原则分配 尺寸大小不同 可按等精度原则分配 5 第九章机械装配工艺 难加工或难测量的组成环 其公差可取较大数值 易加工 易测量的组成环 其公差取较小值 确定好各组成环的公差后 一般按 入体原则 确定极限偏差 且应使各组成环的公差大小和分布位置符合 公差与配合 国家标准的规定 这样给生产组织工作带来一定的好处 显然 当各组成环都按上述原则确定其公差时 按公式计算的公差累积值常不符合封闭环的要求 因此就需选取一个组成环 其公差及其分布需经计算后确定 以便与其它组成环相协调 最后满足封闭环精度要求 这个事先选定的在尺寸链中起协调作用的组成环称为协调环 也称为相依尺寸 一般 不能选取标准件或公共环为协调环 因为其公差和极限偏差是定值 可选易于加工的零件做为协调环 而将难于加工的零件的尺寸公差从宽选取 也可选难于加工的零件做协调环 而将易于加工的零件的尺寸公差从严选取 6 第九章机械装配工艺 定为协调环 例题 如下图所示的装配关系 各零件轴向尺寸为A1 41mm A2 A4 17mm A3 7mm 要求冷态下的轴向装配间隙为 求各零件的轴向尺寸及公差 7 第九章机械装配工艺 解 画出装配尺寸链 校验各环基本尺寸 求各组成环的平均公差 按上述原则调整各组成环公差 查表可知 磨削的经济精度为IT6 7 可确定A2 A3和A4的精度为IT7 查公差标准得 2 4 0 018mm 3 0 015mm 公差按 入体方向 标注 即得 求协调环的公差 根据结果知 A1精度为IT8 在镗削的经济加工精度范围内 求A1的上下偏差 验算 8 例9 2 如图9 2所示 为车床横向移动方向应垂直于主轴回转中心的装配简图 标准要求 溜板移动对主轴中心线的平行度且只许前偏 精车端面平直度只许凹 求总装时 溜板上面的燕尾导轨对其下面的山形导轨的垂直度应保证的精度值及其分布位置 解 1 画出尺寸链图 是封闭环 2 计算 第九章机械装配工艺 9 2 不完全互换法 大数互换法 不完全互换法 其实质是将尺寸链中的各组成环公差比用完全互换法时放宽 以便使加工容易 成本降低 同时仍能保证加工精度 大数互换法常应用于生产节拍不是很严格的成批生产中 例如 机床和仪器仪表等产品中 封闭环要求较宽的多环尺寸链中应用较多 当各组成环和封闭环的尺寸按正态分布时 取 据概率理论 1 装配公差与各有关零件公差之间的关系式 2 各环算术平均值之间的关系式 3 各环中间偏差之间的关系式 第九章机械装配工艺 10 在计算出有关环的平均尺寸及公差后 各环的公差应对平均尺寸注成双向对称分布 即写成的形式 然后根据需要 再改成具有基本尺寸及相应的上 下偏差的形式 用概率法计算时 先按等公差原则估算公差的平均值 式中n 包括封闭环在内的总环数 若基本上满足经济精度要求 就可按各组成环加工的难易程度合理分配公差 显然在概率法中试凑各组成环的公差 比在极值中要麻烦的多 为此更应该利用 相依尺寸公差法 第九章机械装配工艺 11 例9 3 如图9 1所示 按概率法估算实际装配间隙的范围 已知 解 用概率法解例9 1 先确定选A1为协调环 则 第九章机械装配工艺 12 又 故 与用极值法解的比较如图9 3所示 第九章机械装配工艺 13 第九章机械装配工艺 二 选配法选配法是将尺寸链中组成环的公差放大到经济可行的程度 然后选择合适的零件进行装配 以保证装配精度的要求 这种装配方法常用于装配精度要求很高 而组成环数又极少的成批或大量生产中 如滚动轴承的装配 内燃机活塞和缸套 活塞销的装配等 1 选配法的种类选配法按其形式不同有三种 直接选配法 分组装配法和复合选配法 1 直接选配法在装配时 工人从许多待装配的零件中 直接选择合适的零件进行装配 以保证装配精度的要求 这种装配方法的优点是零件不必事先分组 能达到很高的装配精度 缺点是 装配工人凭经验挑选合适零件通过试凑进行装配 所以装配时间不易准确控制 装配精度很大程度上取决于工人的技术水平 这种装配方法不宜用于生产节拍要求较严的大批大量流水作业 14 第九章机械装配工艺 2 分组选配法这种方法是将组成环的公差 相对于完全互换法所求之值增大若干倍 使其尺寸能按经济精度加工 然后对每个零件进行测量 将各组成环按其实际尺寸大小分为若干组 2 4组为宜 各对应组进行装配 以达到装配精度要求 由于同组零件具有互换性 所以这种方法又称为分组互换法 分组装配法在大批大量生产中可降低对组成环的加工要求 而不降低装配精度 但是 分组装配法增加了零件测量 分组和配套工作 当组成环较多时 这种工作就会变得非常复杂 所以 分组装配法适用于成批 大量生产中组成环数少而装配精度要求高的部件装配 例如 滚动轴承的装配 活塞与活塞销的装配以及精密机床中某些精密部件的装配等 3 复合选配法它是将组成环的公差 相对互换法所求之值增大 零件加工后预先测量 分组 装配时工人还在各对应组内进行选择装配 因而 这种方法吸取了前两种的特点 既能提高装配精度 又不必过多增加分组 但是 装配精度仍然要依赖工人的技术水平 工时也不稳定 这种方法常用于配合件公差不等时 作为分组装配法的一种补充形式 例如 发动机中的气缸与活塞的装配多采用此种方法 15 2 分组选配的一般要求要保证分组后各组的配合精度性质与原来的要求相同 这就要求配合件的公差应相等 公差的增加要向同一方向 增大的倍数相同 增大的倍数就是分组数 以图9 4所示的轴孔间隙配合为例 设轴与孔的公差按完全互换法的要求为 且令 装配后的最大间隙为 最小间隙为 由于公差太小 加工困难 故用分组装配法 将孔轴公差在同一方向放大到经济加工精度 假设放大了n倍 即 零件加工按公差加工后再把轴 孔按尺寸分为n组 每组公差为 装配时按对应组装配 第九章机械装配工艺 16 取第k组来分析 轴与孔相配合后的最大间隙和最小间隙为 2 要保证零件分组后在装配时能够配套 不产生某组零件由于过多或过少无法配套而造成积压和浪费 某些因素 如系统误差 的影响 会造成各相配零件尺寸不是正态分布 如图9 4所示 造成各对应尺寸组中的零件数不等 这时 可通过专门加工一批零件来配套 否则会造成零件的积压和浪费 3 分组数不宜太多 尺寸公差放大到经济加工精度就行 否则会增加零件的测量 分组 保管的工作 4 配合件的表面粗糙度 形状和位置公差必须保持原来设计要求 决不能随着尺寸公差的放大而降低粗糙度的要求和放大形状及位置公差 5 应严格组织对零件的精密测量 分组 标记 保管和运送等工作 第九章机械装配工艺 17 第九章机械装配工艺 3 分组选配的应用实例下图为活塞销与活塞的装配关系 装配技术要求规定 活塞销与活塞销孔在冷态装配时应有0 0025 0 0075mm的过盈量 即最大过盈量和最小过盈量分别为 可求得 因轴 孔基本尺寸相同 按等公差分配轴和孔的公差 轴 孔的基本尺寸为28mm 则其精度相当于IT2 显然加工既困难又不经济 现采用分组装配法 将零件公差同向 上偏差不动 变动下偏差 扩大4倍 则零件尺寸现为 按基轴制进行标注 轴 孔的尺寸为 这样 活塞销可用无心磨床加工 活塞销孔可用金刚镗床加工 然后 用精密量具测量其尺寸 并按尺寸大小分成四组 涂上不同的颜色加以区别 具体分组见下表 18 第九章机械装配工艺 d D 间隙 活塞与活塞销的装配尺寸链 19 第九章机械装配工艺 表 活塞销和活塞销孔的分组尺寸 20 三 修配法在单件小批量生产中 当装配精度要求较高而且组成环较多时 完全互换法或不完全互换法 选配法均不能采用 此时可将零件按经济加工精度加工 而在装配时通过修配方法改变尺寸链中某一预先规定的组成环尺寸 修配环 使之能满足装配精度要求 这种装配方法称为修配法 修配法有三种形式 1 按件修配法 选择某一固定的零件为修配件 在装配中进行修配 以保证装配精度 修配时 修配环对封闭环尺寸变化影响有两种 一种是使封闭环尺寸变小 另一种是使封闭环尺寸变大 1 修配环被修配时封闭环尺寸变小 此时 修配环是增环 封闭环公差所处位置如图所示 所以必须使 封闭环实际尺寸的最小值和公差增大后的各组成环之间的关系 可用极值法 第九章机械装配工艺 21 用上式可求出修配环的一个极限尺寸 另一个极限尺寸可按公差确定 用偏差计算时的关系式为 2 修配环被修配时 封闭环尺寸变大 此时修配环是减环 修配前封闭环公差与修配后公差位置如图所示 所以 必须使 用极值法解时 修配环的另一极限尺寸可按经济精度予以确定 最后 在所确定的修配环尺寸中 增加 修配环为增环 或减小 修配环为减环 一个修配余量 第九章机械装配工艺 22 例 如图9 6所示普通车床 要求前后顶尖对床身导轨的不等高允差为0 06mm 由这项精度组成的尺寸链中的组成环有三个 即 床头箱主轴中心到导轨面高 尾座底板厚度 尾座顶尖中心到底板顶面距离 要求装配精度 第九章机械装配工艺 23 解 若用完全互换法装配 则组成环平均公差为 一般多采用修配法 选尾座底板为修配件 并根据加工精度 取各组成环的公差为 A1 A3尺寸标注为 尾座底板厚度尺寸A2的公差按经济加工精度取为 位置由计算确定 1 画尺寸链图如图9 7所示 尺寸链中 A1为减环 A2 A3为增环 2 计算 尺寸链的特点是 修配环A2尺寸越被修配 封闭环尺寸就越小 这样 当装配后所得的封闭环实际数值大于规定的最大值时 就可以通过修配底板面 即减小A2尺寸 而使尾座顶尖套锥孔中心线逐步下降 直到满足0 0 06mm的装配要求为止 相反 如果装配后所得的封闭环实际数值已经小于规定的的封闭环最小值 就无法通过修配达到要求 第九章机械装配工艺 24 按式 9 13 用极值法计算修配环的实际尺寸 修配环是增环 把它作为未知数从增环组中分出 则可写成 根据本例实际环数 将数值代入 得 用偏差法计算修配环的实际尺寸 修配环是增环 把它作为未知数从增环组中分出 则可写成 第九章机械装配工艺 25 必须对尺寸A2进行放大 留以必要的最小修刮余量 假设定为0 10mm 则修正后的实际尺寸A2应为 最大修配余量的确定 不论修配环为增环还是为减环 修刮余量公式均为 显然 当增环A2 A3做的最大 而减环A1做的最小时 尾座顶件套锥中心线高出主轴锥孔中心线为0 06mm时所刮去的余量就是最大余量即 实际修刮时正好刮到高度差为0 06是很少的 所以实际的最大修刮量要稍大于0 39mm 最大刮余量也可按偏差的关系式来计算 第九章机械装配工艺 26 按极值法计算 2 合并加工修配法合并加工修配法就是将几个零件预先合并在一起进行加工修配 可减少组成环的环数 从而扩大组成环的公差 同时又满足了装配精度要求 如上例中 将尾架与底板部装后 再镗顶尖套孔 可减少修配量 合并后尺寸链如图9 8所示 根据经济加工精度确定 若A2 3要留以必要的最小修刮量 则修正后的实际尺寸A2 3应为 第九章机械装配工艺 27 可见 合并加工可使修刮余量大为减少 计算最大修刮量Z刮 3 自身加工修配法在机床制造中 有些装配精度要求较高 若单纯依靠限制各零件的加工误差来保证 势必各零件加工精度很高 甚至无法加工 而且不易选择适当的修配件 此时 在机床总装时 用自己加工自己的方法来保证这些装配精度更方便 这种装配法称自身加工法 例如 在牛头刨床总装后 用自刨的方法加工工作台面 可以较容易的保证滑忱运动方向与工作台面的平行度要求 第九章机械装配工艺 28 第九章机械装配工艺 采用修配法时应注意 1 应正确选择修配对象 首先选择那些只与本项装配精度有关而与其它装配精度项目无关的零件作为修配对象 然后再考虑其中易于拆卸 且面积不大的零件作为修配件 2 应该通过装配尺寸链计算 合理确定修配件的尺寸公差 既保证它有足够的修配量 又不要使修配量过大 29 第九章机械装配工艺 四 调整法对于精度要求较高而且组成环数又较多的产品或部件 在不能采用完全互换法装配时 除了可用修配法来对超差的零部件进行修配 以保证技术要求外 还可以用调整装配法对超差的零部件进行补偿来保证装配精度要求 调整法与修配法的实质相同 也是将尺寸链中各组成环的公差相对于完全互换法所求之值增大 使其能按该生产条件下较经济的公差制造 装配时将尺寸链中某一预先选定的环 采用调整的方法改变其实际尺寸或位置 使封闭环达到其公差与极限偏差要求 预先选定的环 一般是指螺栓 斜楔 档环和垫片等零件 称为补偿环 或称调整件 它是用来补偿其它各组成环由于公差放大后所产生的累积误差 调整法通常采用极值公差公式计算 根据调整方法的不同 调整法分为 可动调整法 固定调整法和误差抵消调整法三种 30 第九章机械装配工艺 1 可动调整法采用调整的方法改变补偿环的位置 使封闭环达到其公差或极限偏差要求的方法称为可动调整法 如图所示 可动调整法不但调整方便 能获得比较高的精度 而且可以补偿由于磨损和变形等所引起的误差 使设备恢复原有精度 所以 在一些传动机械或易磨损机构中 常用可动调整法 31 第九章机械装配工艺 2 固定调整法固定调整法 是在装配的有关零件中选定一个或加进一个零件作为调整件 且这个调整件是按一定的尺寸间隔制成的一组专门零件 装配时 根据累积误差的大小 选用其中某一级别的零件作为补偿件 从而保证所要求的装配精度 补偿环要形状简单 便于装拆 常用的补偿环有垫片 套筒等 32 第九章机械装配工艺 采用调整法时需要解决如下三个间题 选择调整范围选择调整范围 也就是确定补偿量F 采用固定调整法时 由于放大组成环公差 装配后的实际封闭环的公差必然超出设计要求的公差 其超差量需要用补偿环补偿 该补偿量F等于超差量 可用下式计算 式中 实际封闭环的极值公差 含补偿环 封闭环公差的要求值 确定调整件的分组数补偿量确定好后 不可能用一组调整件去补偿F 而需用不同级别的调整件去补偿 因此 要确定每一组补偿环的补偿能力S 若补偿环制造绝对精确 即其制造公差 B 0 则补偿环的补偿能力S就等于封闭环公差要求值 但实际上补偿环本身也有制造误差 B 则补偿环的补偿能力为 33 第九章机械装配工艺 当第一组补偿环无法满足补偿要求时 就需用相邻一组的补偿环来补偿 所以 相邻组别补偿环尺寸之差也应等于补偿能力S 以保证补偿作用的连续进行 因此 分组数Z可用下式表示 当计算所得分组数Z时 要圆整至邻近的较大整数 分组数一般2 5为宜 计算各组补偿环的尺寸由于各级补偿环的基本尺寸之差等于补偿能力S 所以只要先求出某一组补偿环的尺寸 就可推算出其它各组的尺寸 比较方便的办法是先求出补偿环的中间尺寸 再求出其它各组尺寸 当补偿环的组数Z为奇数时 求出的中间尺寸就是补偿环中间一组尺寸的中间值 其余各级尺寸的中间值相应增加或减小各组之间的尺寸差S即可 当补偿环的级数Z为偶数时 求出的中间尺寸是补偿环的对称中心 再根据各组之间的尺寸差S安排各组尺寸 34 轴向尺寸精度要求较高 又因该机构的装配是属于大批生产流水线作业 故采用固定尺寸垫片调整 若用完全互换法装配 则分配到四个组成环的平均公差为 补偿件尺寸的确定方法 例 图9 12所示的机构中 装配后的要求是保证间隙 第九章机械装配工艺 35 计算方法如下 1 决定垫片厚度的基本尺寸及公差 修改原设计尺寸 原设计尺寸A1 21 2mm A2 10mm A3 10mm A4 1mm 取垫片厚N A补 2mm 则A1尺寸由原来21 2变为A1 23 2 2 决定组成环性质 验算基本尺寸 尺寸链如图9 12所示 A1为增环 A补 A2 A3 A4均为减环 3 确定组成环的经济公差 并按入体原则标注 4 计算超差量 按完全互换法计算 不考虑补偿件公差 得 所以 超差量应予以补偿 故称为补偿量 5 确定垫片的分级数 为简化工作 A补尺寸变化要分级 可用图9 13来说明 第九章机械装配工艺 36 A空表示装配尺寸中未放入补偿环之前的空穴尺寸 根据组成情况不同必然得到A空min及A空max两个极限空位尺寸 其变动范围为 此值为除补偿环以外 n 2 个组成环公差之和 可以用所要求的装配精度 间隙 范围给予补偿 即称为补偿能力 如果各级补偿环尺寸能做到绝对准确 则补偿环的分级数为 但实际上补偿件本身必定有公差 这一公差会降低补偿效果 此时补偿件的实际补偿能力为 而相邻级别的补偿件 其基本尺寸之差值 称极差 应取为 37 本例中 m 0 4 0 1 0 02 5 若补偿件做得绝对准确 分组数为 考虑补偿件的加工公差 分组数为 第九章机械装配工艺 38 6 确定补偿范围的尺寸分档及各档补偿件尺寸 因为间隙误差 共分5级 所以 各级公差为 0 4 5 0 08 首先 确定最大尺寸级别的 然后依次推算出各较小级别的尺寸A补i 由图9 13可得 所以 因为级差为0 08 所以各级补偿件尺寸如下 见下表 第九章机械装配工艺 39 第九章机械装配工艺 40 第九章机械装配工艺 第三节装配工艺规程的制订 本节主要讨论装配工艺规程制订时不同于机械加工工艺规程制订时的一些特点 一 装配工艺规程的内容装配工艺规程包括以下内容 划分装配单元 确定装配顺序 选择装配中所需的工艺装备 确定装配技术要求 规定部件装配的总装配的质量检验方法及检具 确定装配工时定额 其它注意事项及要求 41 第九章机械装配工艺 二 装配工艺制订的步骤和方法根据装配工艺制订的原则和原始资料 可以按下列步骤制订装配工艺规程 1 产品分析 审查图纸的完整性和正确性 对其中的问题 缺点或错误提出解决的建议 请设计人员研究后子以修改 对产品的结构工艺性能进行分析 明确各零 部件间的装配关系 审核产品的装配技术要求和检查验收的方法 确切掌握装配中的技术关键问题 并制订相应的技术措施 研究设计人员所确定的保证产品装配精度的方法 进行必要的装配尺寸链的分析与计算 42 2 确定装配方法与装配组织形式装配的组织形式选择 主要取决于产品的结构特点 生产纲领和现有生产条件 对复杂的机械 为了组织装配工作的平行流水作业 在确定装配方法时 一般将装配工作划分为一系列的装配单元 装配单元一般分为五种等级 零件 合件 组件 部件和机器 如下图所示 零件 组成机器的基本单元 一般将零件预先组装成合件 组件或部件后才进入总装 直接进入总装的零件不能太多 合件 由少数零件组成 可以是这些零件的永久连接件 焊接件 铆接件 也可以是在一个基准件上组装上少数的零件 组件 由一个或几个合件与零件的组合 部件 一个或几个组件 合件与零件的组合 机器 也称产品 它是由上述全部装配单元结合而成的整体 第九章机械装配工艺 43 第九章机械装配工艺 44 第九章机械装配工艺 45 第九章机械装配工艺 单件小批生产的组织形式 常采用固定式装配或固定流水作业 批量生产时 重型机械采用固定流水作业 其它采用流水线作业 当多品种平行装配时采用变节拍流水作业 大量生产时采用流水线 自动装配线作业 流水线的移动方式有间歇移动 连续移动和变节拍移动等方式 3 装配工艺过程的确定 1 装配顺序的确定在划分装配单元 确定装配基准零件后 即可安排装配顺序 并以装配系统图的形式表示出来 对于结构比较简单 组成的零 部件少的产品 可以只绘制产品装配系统图 如图所示 对于结