机械制造工程之第四章 工艺尺寸链

第四章工艺尺寸链§4.1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。L1L2L3L4L∑L3L4L1L2L∑A1A2A3A∑A3AA2A1∑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。二、尺寸链的有关术语L1L2LL3L4∑L1L2L3L∑L4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1A2A(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:L1L2L3L4L∑L3L4L1L2L∑A1A2A3A∑A3AA2A1∑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”。L1L2LL3∑L4L1L2L3L5L∑L4L1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”。L1L2LL3∑L4L1L2L3L5L∑L4L2、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。∑LL2L1L3L42．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。A1A2A3A4A5A6A7AΣΣAA1A2A3A4A5A63．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。AΣA12A3A4．按照尺寸键的相互联系的形态，又可分为：（1）独立尺寸链：所有构成尺寸链的环，在同一尺寸链中。（2）相关尺寸链：具有公共环的两个以上尺寸链组。即构成尺寸链中的一个或几个环，分布在两个或两个以上的尺寸链中。按其尺寸联系形态，又可分为并联、串联、混联三种。L1∑AL2L3L5A2A1L4∑L并联A1A∑A2L1L3L2L∑串联混联A1A∑A2B1B3B2B∑C1C2C∑共同基面共同基面公共环同属于不同尺寸链中，公共环尺寸及公差改变将同时影响各个尺寸链，所以，在解尺寸链时，一般不轻易改变公共环尺寸。§4.2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：如下例：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L1L4L3L2LL5∑例如齿轮减速箱装配后，要求轴承左端面与左端轴套之间的间隙为L∑。此尺寸可通过事先检验零件的实际尺寸L1、L2、L3、L4、L5，就可预先知L∑的实际尺寸是否合格?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”。4010±0.15L1l3L2零件图工序一工序二工序三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。§4.2尺寸链计算的基本公式尺寸、偏差及公差之间的关系：AAT/2T/2minAmaxΔAsAΔxmΔAmA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：A∑A1A2A3A6A5A4654321AAAAAAA321654AAAAAAA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：niimiiAAA11二、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A2min2T2A2maxA1minA1A1maxAA1T∑AmaxAmin∑ΔAs12AsΔ2AsΔ1AsΔ∑三环尺寸链极限尺寸计算关系图min2max1maxAAAmax2min1minAAA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：niimiiAAA1min1maxmaxniimiiAAA1max1minmin2.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)()(111min1maxmaxniimiiniimiisAAAAAAAniixmiisAA11)()(111max1minminniimiiniimiixAAAAAAAniismiixAA113.各环公差的计算)()(1max1min1min1maxminmaxniimiiniimiiAAAAAAT)()(1min1max1min1maxniiniimiimiiAAAAniimiiTT11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：11NiiTT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。11NiiTT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δ——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：A(算术平均）-3δδ+3A独立随机变量之和的均方差为:112Nii)(AAii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112Nii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ε与均方根误差σ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=6σ，则封闭环的公差与各组成环的公差关系可表示为：ε=6σ即：6112NiiTT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：6,6TT6TK1122NiiiTKT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：nmTNTTM221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：1NTnmTTM1N但实际上，由于各组成环通常未必是正态分布曲线，即Ki1,故实际所求得的扩大倍数比小些。1N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：1N1NTTM12NTTM-3δδ+399.73%0.27%基准不重合时的尺寸换算包括：①测量基准与设计基准不重合时的尺寸换算；②定位基准与设计基准不重合时的尺寸换算。§4.3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、