第12章 机械制造精度的实现.docx

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第12章机械制造精度的实现

第12章机械制造精度的实现

□□教学基本要求与目标

1．初步掌握工艺尺寸链的分析与计算方法；

2．结合实践教学，学会图表追踪法；

3．初步掌握装配尺寸链建立的步骤和原则。

□□教学重点

重点：

工艺尺寸链的知识；

难点：

工艺尺寸链的分析与计算。

□□课时分配

本章课时：

讲课…3学时

12.1机械零件制造精度（0.25学时）

12.2零件机械加工工艺尺寸链（1.25学时）

12.3工序尺寸及公差计算的图表追踪法（0.75学时）

12.4机械装配精度（0.75学时）

□□授课方式

以教师讲授为主，多媒体教学为辅

□□习题与思考题

P269习题与思考题12.1，12.2，12.3，12.4，12.5，12.6

〖主要教学过程〗

第12章机械制造精度的实现

12.1机械零件制造精度

机械制造过程是机械零件制造过程和机械产品装配过程的总和。

机械零件制造过程是被加工零件的形状、结构、精度、表面质量及其它技术要求实现的过程；机械产品装配过程是产品装配精度和其它技术要求实现的过程。

机械加工工艺过程和机械装配工艺过程正是依据这些技术要求和生产纲领、装备条件制定的。

而精度要求对机械制造过程中的机械加工工艺规程和机械装配工艺过程的设计有着决定性作用。

零件的机械加工过程主要取决于零件表面形状特征、表面质量要求和精度要求确定相应的最终加工方法后，机械加工工艺主要是根据零件的精度要求来制定的。

因而，分析零件的精度要求和其它技术要求是确定合理的机械加工工艺的关键。

一、机械零件制造精度的构成

（一）加工精度与加工误差

1．加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。

符合程度越高，加工精度越高。

一般机械加工精度是在零件图上给定的，其包括：

1）零件的尺寸精度：

加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸相符的程度。

2）零件的形状精度：

加工后零件的实际形状与零件理想形状相符的程度。

3）零件的位置精度：

加工后零件的实际位置与零件理想位置相符的程度。

2．加工误差：

实际加工不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。

加工误差的大小表示了加工精度的高低。

生产实际中用控制加工误差的方法来保证加工精度。

3．误差的敏感方向：

加工误差对加工精度影响最大的方向，为误差的敏感方向。

例如：

车削外圆柱面，加工误差敏感方向为外圆的直径方向。

（二）加工经济精度

由于在加工过程中有很多因素影响加工精度，所以同一种加工方法在不同的工作条件下所能达到的精度是不同的。

任何一种加工方法，只要精心操作，细心调整，并选用合适的切削参数进行加工，都能使加工精度得到较大的提高，但这样会降低生产率，增加加工成本。

加工误差δ与加工成本C成反比关系。

某种加工方法的加工经济精度不应理解为某一个确定值，而应理解为一个范围，在这个范围内都可以说是经济的。

（三）研究机械加工精度的方法—因素分析法和统计分析法。

1．因素分析法：

通过分析、计算或实验、测试等方法，研究某一确定因素对加工精度的影响。

一般不考虑其它因素的同时作用，主要是分析各项误差单独的变化规律；

2．统计分析法：

运用数理统计方法对生产中一批工件的实测结果进行数据处理，用以控制工艺过程的正常进行。

主要是研究各项误差综合的变化规律，只适合于大批、大量的生产条件。

（四）原始误差

由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统（简称工艺系统）会有各种各样的误差产生，这些误差在各种不同的具体工作条件下都会以各种不同的方式（或扩大、或缩小）反映为工件的加工误差。

工艺系统中凡是能直接引起加工误差的因素都称为原始误差。

原始误差主要有：

1．加工前的误差（原理误差、调整误差、工艺系统的几何误差、定位误差）

2．加工过程中的误差（工艺系统的受力变形引起的加工误差、工艺系统的受热变形引起的加工误差）

3．加工后的误差（工件内应力重新分布引起的变形以及、测量误差）等。

二、获得加工精度的方法

1．获得尺寸精度的方法

（1）试切法

试切法是通过试切—测量—调整—再试切，反复进行，直至达到要求的加工尺寸。

试切法生产效率低，加工精度取决于工人的技术水平，但有可能获得较高精度，且不需复杂的装置。

主要用于单件小批生产。

（2）调整法

调整法是先按要求的尺寸调整好刀具相对于工件的位置，并在一批零件的加工过程中始终保持这个位置不变，以获得规定的加工尺寸。

调整法比试切法加工精度的保持性好，且具有较高的生产率，对操作工人要求不高，但对调整工要求较高，在成批及大量生产中广泛应用。

（3）定尺寸刀具法

定尺寸刀具法是用具有一定尺寸精度的刀具来保证工件的加工尺寸的。

如钻头、扩孔钻、铰刀、拉刀、槽铣刀等。

这种方法具有较高的生产率，加工精度主要取决于刀具的精度及刀具与工件的位置精度。

为了消除刀具与工件位置精度对加工精度的影响，可采用将刀具与机床主轴浮动联接的方法来解决。

（4）自动控制法

自动控制法是将测量装置、进给装置和控制系统组成一个自动加工系统。

加工过程中由自动测量装置测量工件的加工尺寸，并与所要求的尺寸进行比较后发出信号，信号通过转换、放大后控制机床或刀具作相应调整，直到达到规定的加工尺寸要求，加工自动停止。

早期的自动控制法多采用机械—液压控制系统，近年来，由于数控技术的发展，数控机床得到广泛的应用。

在数控机床上，加工尺寸的获得，由预先编好的程序自动控制，使工件获得规定的加工精度更为方便。

特别是计算机数控（CNC），更为发展计算机辅助制造（CAM）奠定了基础。

2．获得形状精度的方法

（1）轨迹法：

是利用刀尖运动的轨迹来形成被加工表面的形状的。

普通的车削、铣削、刨削和磨削等均属于刀尖轨迹法。

用这种方法得到的形状精度主要取决于成形运动的精度。

（2）成形法：

是利用成形刀具的几何形状来代替机床的某些成形运动而获得加工表面形状的。

如成形车削、铣削、磨削等。

成形法所获得的形状精度主要取决于刀刃的形状。

（3）展成法：

是利用刀具和工件作展成运动所形成的包络面来得到加工表面的形状，如滚齿、插齿、磨齿、滚花键等均属展成法。

这种方法所获得的形状精度主要取决于刀刃的形状精度和展成运动精度等。

3．获得位置精度方法

机械加工中，被加工表面对其他表面位置精度的获得，主要取决于工件的装夹（工件的三种装夹方式：

直接找正、划线找正、用夹具装夹），即是三种获得位置精度的方法。

12.2零件机械加工工艺尺寸链

一、工艺尺寸链的概念

引例1：

如图1-7所示40±0.05，20±0.16的尺寸采用如图定位方式。

本工序要保证A2+δi，则A3+δi应为多大才能满足零件要求？

引例2：

如图1-8齿轮键槽加工，零件图标注φ85+0.035，φ87.9+0.23，但齿轮淬火后变形，φ85+0.035是淬火后磨孔得到的，键槽必须淬火前加工，它不能按87.9+0.23加工，设淬火前孔加工到φ84.8+0.07，而键槽按什么尺寸加工Aj+δi？

（一）尺寸链：

将相互关联的尺寸按一定的顺序联接成首尾相接的封闭图形如图12.2.3所示A1、A2、A3（引例1.尺寸链）。

工艺尺寸链：

由单个零件在工艺过程中形成的有关尺寸的尺寸链。

（二）尺寸链的组成

1．环

组成尺寸链的每个尺寸A1、A2、A3。

2．封闭环

在加工过程中间接得到的尺寸A2。

3．组成环

在加工过程中直接得到的尺寸A1、A3。

1）增环：

其余各组成环不变，此环增大使封闭环增大者。

2）减环：

其余各组成环不变，此环增大使封闭环减少者。

具体判断：

给封闭环任选一个方向，沿此方向转一圈，在每个环上加方向，与封闭环方向相同者为减环，相反者为增环。

二、工艺尺寸链的计算

工艺尺寸链常用的计算方法有极值法和概率法，一般概率法在装配尺寸链中应用。

直线尺寸链：

全部组成环平行封闭环的尺寸链。

1．封闭环的基本尺寸

=各组成环的基本尺寸的代数和。

=增环的基本尺寸之和—减环的基本尺寸之和

2．封闭环的最大极限尺寸=所有增环的最大极限尺寸—所有减环的最小极限尺寸

L0max=

3．封闭环最小极限尺寸=所有增环的最小极限尺寸—所有减环的最大极限尺寸

L0min=

4．封闭环的上偏差=所有增环的上偏差之和—所有减环的下偏差之和

5．封闭环的下偏差=所有增环的下偏差之和—所有减环的上偏差之和

6．封闭环的公差=封闭环的最大极限尺寸—封闭环的最小极限尺寸

=封闭环的上偏差—封闭环的下偏差

=增环的公差之和+减环的公差之和

=所有组成环的公差之和

竖式计算：

1．增环公称尺寸，上下偏差照抄

2．减环公称尺寸变号，上下偏差对调、变号

3．取其代数和，得封闭环的公称尺寸，上下偏差

其中：

L0封闭环的基本尺寸m增环个数

Li组成环基本尺寸n-1-m减环个数

Lp增环基本尺寸To封闭环公差

Lq减环基本尺寸Ti任一组成环公差

n尺寸链总环数ESo封闭环上偏差

n-1组成环环数EIo封闭环下偏差

ESp、EIp增环上下偏差ESq、EIq减环上下偏差

三、工艺尺寸链的应用（P256）

四、工艺尺寸链计算示例

（一）基准重合时工序尺寸及公差的确定

（二）基准不重合时工艺尺寸链计算

1．测量基准和设计基准不重合

【例2】：

如图1-10（b）所示主轴箱，两孔Ⅲ、Ⅳ中心距127±0.07mm不便测量，只能用游标卡尺直接测量两孔内侧或外侧母线之间的距离来间接保证中心距之间的尺寸要求。

现采用测量两孔内侧母线的方法决定，求该测量尺寸应为多少，才能满足孔心距的要求。

求解：

1）建立尺寸链，如图1-10（b）

2）判断增环和减环，其中L0为封闭环。

L1、L2、L3为增环

3）计算127=40+L2+32.5

0.07=0.002+ES2+0.015

-0.07=-0.009+EI2+0

得

只要实例结果在L2的公差范围内，就一定能保证Ⅲ、Ⅳ中心线的设计要求。

假废品问题：

直线尺寸链极值算法是极限情况下的各尺寸之间的尺寸联系。

从保证封闭环的尺寸要求看，是保守算法。

计算结果可靠，但可能出现假废品。

上例中若两孔的直径尺寸都取上限，即L1=40.002，L3=32.515时，L2做成L2=54.5-0.087时，则L1+L2+L3=126.93为中心距设计尺寸的下限尺寸

应用：

为避免假废品的产生，发现实例尺寸超差时，应实测其他组成环的实际尺寸，然后在尺寸链中重新计算封闭环的实际尺寸。

原因：

测量基准和设计基准不重合，组成环环数愈多，公差范围愈大，出现假废品的可能性越大。

因此应尽量使测量基准和设计基准重合。

2．定位基准和设计基准不重合

【例3】：

如下图1-11（a）所示某零件高度方向的设计尺寸12-0.070，，生产中用调整法加工A,B,C面，前面工序A、B面已加工好，本工序以A面定位基准加工C面。

C面的设计基准（工序基准）为B面，定位基准为A面。

解题：

1）画尺寸链：

如图1-11（b）所示。

2）确定封闭环，增环和减环：

本尺寸链中调整法加工能直接保证尺寸为L2，L0间接保证：

则L0封闭环，L1增环，L2减环

3）计算：

L1，L2都未注公差，为保证L0的计算，必须把L0公差分配给L1和L2

采用等公差法分配：

按入体原则标注L1公差为

计算L2的基本尺寸和偏差为（公式计算和竖式计算）

3．工序尺寸的基准有加工余量时工艺尺寸链的计算（工序间尺寸及尺寸链）

工序间尺寸链：

机械加工过程中，零件尺寸的获得由一个先后的顺序，就某一尺寸而言，它是在加工过程中通过若干个工序，逐步切除余量而最后达到图纸设计要求的。

工序尺寸及其公差是根据设计要求考虑到加工中心的基准，工序间的余量以及工序的经济精度等条件，对各工序提出的尺寸要求。

工序间尺寸链是零件加工后最终尺寸及其公差和有关的工序尺寸和工序公差，以及工序间的余量有关尺寸联系构成一种工艺尺寸链。

【例4】：

一个带有键槽的内孔，设计尺寸如图1-12所示，该内孔由淬火处理要求，因此有以下加工工艺安排

1．镗内孔至ф49.8+0.046mm

2．插键槽

3．淬火处理

4．磨内孔，保证内孔直径ф50+0.030mm和键槽深度53.8+0.30mm两个设计尺寸的要求

求淬火前插键槽的深度L2

分析：

插键槽工序采用已镗孔的下切线为基准，用试切法保证插键槽深度，此深度尺寸应是上一工序直接保证的尺寸，磨孔工序应保证磨削余量均匀，定位基准为孔的中心孔。

因此ф50+0.030mm定位基准和设计基准重合，键槽深度53.8+0.30定位基准与设计基准不重合，因此磨孔可直接保证ф50+0.030mm，而53.8+0.30则间接保证。

解算：

1）建立尺寸链，如图1-12（c）

2）判断增环和减环，其中L0为封闭环。

L2、L3为增环，L1为减环

3）计算53.8=25+L2-24.9

0.30=0.015+ES2+0

0=-0+EI2-0.023

得

说明：

1）本例把上工序镗孔和本工序磨孔的定位基准看作是同一中心线是近似要求，因为磨孔和镗孔是连两次装夹下完成，存在同轴度误差，若同轴度误差不是很小，则应将同轴度也作为一个组成环画在尺寸链中。

12.3工序尺寸及公差计算的图表追踪法

当零件在同一方向上加工尺寸较多，并需多次转换工艺基准时，建立工艺尺寸链，进行余量校核都会遇到，并且易出错。

图表法能准确查找全部工艺尺寸链，并且能把一个复杂的工艺过程用箭头直观的在表内表示出来。

列出有关计算结果清晰、明了，信息量大。

（一）尺寸追踪法（图表追踪法）

就是将零件的加工过程建立工序尺寸之间的联系并用符号形象来描绘各个尺寸发生变化的情况，将其全部反映在一种图表上，利用这张图表来解决所要解决的问题。

（二）图表绘制的方法（P263）

1．在图表上方绘制加工工件的轮廓简图，并用双点划线画出毛坯轮廓。

2．从零件的各轴向端面用细实线向下列出各尺寸界线，图纸上，不要求按严格的比例，但应求各轴向尺寸界面过于拥挤，以便能清晰的表示各端面的加工尺寸。

3．填写工序过程，在表左侧，按加工过程从上到下，严格排出加工顺序，在表的右边列出需要计算的项目。

4．按过程先后顺序，逐个地将毛坯尺寸，各工序加工尺寸及图纸要求填入表格。

5．标注时所用的符号

定位基面所制端面是加工工序的定位基准

度量基准：

所指端面是加工工序的度量基面

加工表面：

箭头指向加工表面

工序尺寸：

终结尺寸：

表示加工后的终结尺寸

余量：

表示加工时的余量值。

5、正确尺寸标注是正确利用图表法的基准

1）尺寸标注的顺序严格的按加工顺序标注，不得颠倒，通常从毛坯尺寸自上而下标注工序加工尺寸直到最后图纸尺寸。

2）加工尺寸不得遗漏或多余，应遵循每切削一个表面只能标注一个加工尺寸的原则。

12.4机械装配精度

一、机械装配精度

二、装配精度与零部件精度的关系

三、装配工艺尺寸链

四、装配工艺尺寸链的应用