《汽车制造工艺学》第6章 工艺尺寸链.ppt

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1、汽 车 制 造 工 艺 学,主讲教师 叶仲新 机械工程系 机械制造教研室,汽 车 制 造 工 艺 学,第1章汽车制造过程概论 第5章机械加工工艺规程的制定 第6章尺寸链原理及其应用 第7章装配工艺基础 第9章汽车典型零件的制造工艺,第6章尺寸链原理及其应用,第一节 尺寸链的基本概念 第二节 工艺尺寸链、装配尺寸链的应用,在汽车产品设计、制造过程中，尺寸链的应用非常普遍。首先，产品设计师要根据产品及其部件的使用性能和要求，根据产品装配精度，确定零件的基本尺寸及公差；其次，工艺设计人员通过尺寸链换算，确定各工序尺寸及其偏差；最后，装配工艺工程师要根据装配要求确定合适的装配方法。本章从汽车零部件设计

2、、加工、装配出发，阐述尺寸链的基本概念、分类、组成、计算方法；装配尺寸链的建立及计算；以及工艺尺寸链解算等内容,第一节 尺寸链的基本概念,1.1 尺寸链的定义、特征及其尺寸链图 1.2 尺寸链的组成及分类 1.3 工艺尺寸链的分析与计算方法,1.1 尺寸链的定义、特征及其尺寸链图,1. 尺寸链的定义,在机器设计、装配及零件加工过程中，一组互相联系且按一定顺序排列的封闭尺寸组合，称为尺寸链。,1. 尺寸链的定义,1. 尺寸链的定义,1. 尺寸链的定义,1. 尺寸链的定义,2尺寸链特征及其尺寸链图,1）尺寸链的封闭性 尺寸链中的各尺寸按一定顺序排列最后形成一个封闭的图形 2）尺寸链的关联性 尺寸链

3、中任何一个尺寸的变化都会引起其他尺寸的变化。组成环与封闭环之间的关系为自变量与因变量的关系。 3）尺寸链至少由三个或三个以上的尺寸组成,2工艺尺寸链特征,2工艺尺寸链特征,1.封闭环,1.2 尺寸链的组成,尺寸链中的每一个尺寸或角度量称为环，其中又分为组成环与封闭环。,尺寸链中封闭环是由组成环尺寸所决定的，它的存在依赖于组成环而间接形成，在零件的加工或装配过程中，其精度是被间接保证的尺寸。 封闭环的特点是：其他环的误差必然累积在这个环上，因此封闭环误差是所有各组成环误差的综合。,封闭环的判断：凡是间接获得的尺寸。如装配精度、设计尺寸、加工余量。,封闭环的判断：凡是间接获得的尺寸。如装配精度、设

4、计尺寸、加工余量。,2.组成环,1.2 尺寸链的组成,尺寸链中，除封闭环以外的其它环都称为组成环，每一个组成环的变动必然引起封闭环的变动，它是在加工或装配中直接获得的尺寸。 组成环的判断：凡是直接获得的尺寸。如工序尺寸、测量尺寸。 根据组成环对封闭环影响的不同，又把组成环分为增环与减环。,组成环增减性的判断： 在尺寸链图中先给封闭环取定一个方向（从右向左）并画出箭头，再循此方向从封闭环左侧出发，环绕尺寸链一圈回到封闭环右侧，然后以各组成环所在环绕线的方向画出箭头，凡箭头方向与封闭环箭头方向相反的为增环，方向相同的为减环。,1.3 尺寸链的分类,1.按构成尺寸链各环的几何特征分类,(1)长度尺寸

5、链 全部环为长度尺寸的尺寸链；或者组成环既有长度尺寸又有角度量而封闭环为长度尺寸的尺寸链。 (2)角度尺寸链 全部环为角度量的尺寸链；或者组成环既有角度量又有长度尺寸而封闭环为角度量的尺寸链。,1.3 尺寸链的分类,2.按尺寸链的作用分类,(1)装配尺寸链 全部组成环为不同零件的设计尺寸所形成的尺寸链。 (2)零件设计尺寸链 全部组成环为同一零件的设计尺寸所形成的尺寸链。 (3)工艺尺寸链 全部组成环为同一零件的工艺尺寸所形成的尺寸链。,1.3 尺寸链的分类,3.按构成尺寸链各环的空间位置分类,(1)直线尺寸链 全部组成环平行于封闭环的尺寸链，亦称为线性尺寸链，是尺寸链的基本形式。 (2)平面

6、尺寸链 全部组成环位于一个或几个平行平面上，但可能某些组成环不平行于封闭环的尺寸链。 (3)空间尺寸链 组成环位于几个不平行平面内的尺寸链。,1.3 尺寸链的分类,4.按尺寸链间相互关系分类,(1)独立尺寸链 系指组成环与封闭环只属于同一尺寸链，不属任何其他尺寸链。 (2)并联尺寸链 由若干个独立尺寸链，通过一个或几个共存于两个或两个以上的独立尺寸链的环相互联系起来的尺寸链，共存于独立尺寸链中的公用环称为公共环，组成环与封闭环都有可能成为公共环。并联尺寸链的特点是：组成并联尺寸链的各独立尺寸链间通过公共环相互联系、相互影响。,在下图的并联尺寸链，C4与B0为公共环，且C4= B0。 C尺寸链的

7、方程式为： C0C1C2（C3C4） B尺寸链的方程式为： B0B3（B1B2）,因为：B0C4 则：C0C1C2B1B2（C3B3）,通过中间代换，可将个多环尺寸链分解为两个(或两个以上)的并联尺寸链，以使复杂的问题简单化。 在装配尺寸链与工艺尺寸链中，经常存在并联尺寸链，往往一个尺寸存在于多个尺寸链中，在求解之时，可以将多环尺寸链分解为并联尺寸链，也可以将并联尺寸链代换为一个多环尺寸链，视具体情况而定。在工艺尺寸链中，余量为封闭环，常常是以余量作为中间变量进行代换。,1.3 尺寸链的分类,4.按尺寸链间相互关系分类,（3）串联尺寸链 由若干个独立尺寸链，通过每两个相邻尺寸链有一个共同基面，

8、即每一个后继尺寸链是从前面一个尺寸链的基面开始的。当尺寸链内任何一个环大小有变化时，尺寸链的基面位置随即改变。,1.4 尺寸链的计算,1.公差校核计算（正计算）,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)。亦称为尺寸链的正计算。这种计算主要用在审核图样，验证设计的正确性。,1.4 尺寸链的计算,1.公差校核计算（正计算）,1.4 尺寸链的计算,2.公差设计计算（反计算）,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(偏差)，反过来计算各组成环基本尺寸及公差(偏差)。亦称为尺链的反计算。这种计算一般用于汽车或机械产品设计或工艺设

9、计。,1.4 尺寸链的计算,2.公差设计计算（反计算）,尺寸链反计算中的公差分配,1）等公差法 将封闭环的公差平均分配给各个组成环。 2）等精度法 将封闭环的公差按等精度原则分配给各个组成环。 3）实际可行性分配法 先按实际可行性拟定各组成环的公差，然后根据所有组成环的公差之和等于或小于封闭环公差的原则进行校核与调整。,1.4 尺寸链的计算,3.中间计算,已知封闭环及部分组成环，求其余组成环。根据封闭环和其它组成环的基本尺寸及公差(偏差)来计算尺寸链中某一组成环的基本尺寸及公差(偏差)，称为尺寸链的中间计算。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。,1.4 尺寸链的计算,

10、3.中间计算,1.5 尺寸链的计算公式,尺寸链分析计算主要有三类问题：正计算、反计算与中间计算。在不同的计算类型问题中，所给的已知条件不一样，求解的结果要求也不一样，需要按不同的公式进行计算。如尺寸链中的每一环可以是基本尺寸与公差表达，也可以是基本尺寸及极限偏差表达，还可以用最大与最小尺寸表达或中间尺寸和中间偏差来表达。尺寸链的计算方法有两种：极值法与概率法。以下给出直线尺寸链的计算公式。,1. 封闭环基本尺寸计算,封闭环的基本尺寸等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。,1. 封闭环基本尺寸计算,封闭环的基本尺寸等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。,2. 极值

11、法,极值法是指按组成环的尺寸同为极限尺寸条件下来计算封闭尺寸的方法。,（1）封闭环极限尺寸 封闭环最大尺寸等于所有增环最大尺寸之和减去所有减环最小尺寸之和,2. 极值法,（1）封闭环极限尺寸 封闭环最小尺寸等于所有增环最小尺寸之和减去所有减环最大尺寸之和,2. 极值法,（2）封闭环公差 封闭环公差等于所有各组成环公差之和,2. 极值法,（3）封闭环极限偏差 封闭环上偏差等于所有增环上偏差之和减去所有减环下偏差之和,封闭环下偏差等于所有增环下偏差之和减去所有减环上偏差之和,极值法的特点是计算简单，不必考虑其他因素的影响。但是极值法也存在缺点，在组成环较多且封闭环精度要求较高的情况下，其组成环的精

12、度要求很高，不论是装配尺寸链还是工艺尺寸链，其零件的加工难度大、成本高。故极值法一般用于封闭环精度高但组成环环数少时，或封闭环精度低但组成环环数较多时，或具有调整环或修配环的装配尺寸链的计算。,3. 概率法,在极值法计算中，认为所有的组成环都同时达到极限尺寸。但是在实际生产过程中，出现这种现象的可能性很小。根据概率理论，组成环尺寸同时达到极限尺寸的概率应等于各组成环出现极限尺寸概率的乘积。因此，采用概率原理来对尺寸链进行解算，更合理、更科学，人们也把这种计算尺寸链的方法称为概率法。,3. 概率法,在大批量生产中，一个尺寸链中的各组成环尺寸的获得并无联系，可看成是相互独立的随机变量。各组成环尺寸

13、的误差，是由这些随机变量合成的。从概率统计的观念看，任何一环有两个明显的特征数： 平均尺寸(算术平均值)，它表示尺寸分布的集中位置； 均方根偏差(标准差)，它表示实际尺寸分布相对于算术平均值的离散程度。,3. 概率法,由概率论原理可知，独立随机变量之和的均方差与这些随机变量相应的值之间关系为：,此式是用概率法解尺寸链时，封闭环误差与组成环误差间的基本关系式。采用概率法解算尺寸链，封闭环基本尺寸计算与极值法一样。,3. 概率法,封闭环公差的计算,当各组成环的误差分布都遵循正态分布规律时，则其封闭环也将符合正态分布规律。当各组成环公差均为正态分布时，封闭环公差等于各组成环公差平方和的平方根。封闭环

14、的公差与各组成环公差的关系为:,3. 概率法,当组成尺寸分布不为正态分布时，封闭环公差计算时，需引入“相对分布系数ki”的概念。 非正态分分布时：,相对分布系数是以正态分布曲线作为比较基准(正态分布ki=1)来说明非正态分布曲线相对正态分布曲线的差别程度。,3. 概率法,与极值法比较(其 )，在计算同一尺寸链时，用概率法求解可将组成环公差扩大 倍。但实际上，各组成环未必都呈正态分布，故实际扩大倍数小于 。,4极值竖式法及其计算式,第二节 工艺尺寸链、装配尺寸链的应用,正确地绘制、分析和计算工艺尺寸链，是编制工艺规程的重要步骤，否则会在机械加工中造成各种困难甚至出现废品，带来不必要的损失。正确地

15、建立并计算装配尺寸链是汽车与机械产品设计与制造的重要过程，否则会造成设计的产品达不到性能要求及制造出废品。因此，尺寸链原理在工艺尺寸链及装配尺寸链中的应用是产品设计与工艺设计人员必须掌握的。,2.1 工序尺寸的计算,在汽车产品制造过程中，大多数零件的尺寸与形状都是通过机械加工获得。在此过程中，多数工序尺寸与设计尺寸是不同的，它包括间接保证设计尺寸，为后续工序保证足够的余量以及其他工艺尺寸(定位尺寸与基准尺寸)的确定等。确定这些尺寸及公差，必须应用尺寸链原理。,工艺尺寸链的封闭环有两种基本形式：一是以工序尺寸为组成环，间接保证某一尺寸就是封闭环；二是以工序尺寸为组成环，确定的加工余量就是封闭环。

16、但当靠火花磨削加工时，磨削余量则是组成环，工序尺寸是封闭环。 对工艺尺寸链进行分析与计算时，首先要确定封闭环，其次找出影响该封闭环的全部建立组成环，建立工艺尺寸链，最后利用尺寸链计算公式解算工艺尺寸链。,1.工艺基准与设计基准重合时工序尺寸的确定,定位基准、工序基准、测量基准及设计基准重合，是工序尺寸确定最简单的情况。工序尺寸的计算是以最终工序开始，反算到第一道工序。工序尺寸是组成环，加工余量是封闭环。,某汽车机械式有级变速器中间轴第三速齿轮的加工工艺过程：扩孔拉孔磨孔。,尺寸链反计算中的公差分配,1）等公差法： 将封闭环的公差平均分配给各个组成环。 2）等精度法： 将封闭环的公差按等精度原则

17、分配给各个组成环。 3）实际可行性分配法： 先按实际可行性拟定各组成环的公差，然后根据所有组成环的公差之和等于或小于封闭环公差的原则进行校核与调整。,当工艺基准与设计基准重合时，可通过下述步骤确定工序尺寸： 1）确定各加工工序的加工余量； 2）从最终加工工序开始，到第一道加工工序，逐次加上每道加工工序余量，可分别得到各工序基本尺寸。 3）除最终加工工序以外，其他各加工工序按各自的加工经济精度确定其工序尺寸及偏差。,2.工艺基准与设计基准不重合时工序尺寸的确定,1）定位基准与设计基准不重合,例1：精镗活塞销孔工序，选活塞底面作为定位基准，但销孔的设计基准为活塞顶面，因此工序基准与设计基准不重合。

18、,已知： 封闭环: 增环: 减环: 求： 解：见右表 得：,例2：本工序加工直角面C和D。以左端A面为定位基面，加工C面，保证尺寸 。设计基准为B面。试计算从A面至C面的工序尺寸A及偏差。 分析并建立工艺尺寸链： 先找出封闭环，然后查找各组成环，画出工艺尺寸链。确定出增、减环。,已知：封闭环: 增环: 和A 减环: 求：A = ？ 解：见右表 得：A =,2）测量基准与设计基准不重合,例2：如下图套筒零件，端面A为尺寸10mm和尺寸50mm的设计基准，在加工过程中，端面A及C已加工完毕，本工序加工孔及端面B。由于设计基准为A面而测量基准为B面，故基准不重合。,已知：封闭环: 增环: 减环: C

19、2 求：C2 = ？ 解：见右表 得：,例4 ：本工序加工大孔，保证孔底尺寸 ，其设计基准为凸台面。由于该尺寸不便测量，现改为以左端面为测量基准。故测量基准与设计基准不重合，需解算测量尺寸L3。,已知： 封闭环为 ， 增环为L3和 ， 减环为 求：L3 =？ 解：见右表 得：L3 =,3. 一次加工同时保证多个设计尺寸,例5：如下图所示的零件的工艺过程：车削端面A钻孔E车削端面B和C钻孔D磨削端面B（同时保证两个设计尺寸C3和C0 ）。校核各工序尺寸是否能保证两个设计尺寸的要求。,尺寸链正计算。校核各工序尺寸是否能保证两个设计尺寸的要求。已知条件如下： 增环： 减环： 校核封闭环; 解：,尺寸

20、链反计算。在工艺设计过程中，可通过尺寸链解算确定工序尺寸C2，已知条件如下： 封闭环： 增环： 减环： 校核C2 ； 解：,已知： 增环： 减环：,校核封闭环和C2：,例6 ：如下图所示一带键槽的齿轮孔加工。 镗内孔至 ； 插键槽至尺寸A ； 热处理 ； 磨内孔至 ， 同时间接保证键槽 深度尺寸 。,已知：封闭环为 ； 增环为A和 ； 减环为 。 求：A =？,解：见左表 得：A = =,例7：加工工艺过程：车削大端面与大外圆车削小端面与小外圆镗内孔及内端面热处理磨小端面。磨削时需保证设计尺寸 与 ，故必须控制工序尺寸C1及C2。,分析得加工余量为封闭环 封闭环： 减环： 增环：C1 求：C1

21、 解：见右表 得：,分析得设计尺寸为封闭环 封闭环： 减环： 增环：C2 求：C2 解：见右表 得：,在已知工序尺寸及公差的条件下，可利用工艺尺寸链对加工余量进行校核。,例8：在阶梯轴的加工过程中， 车右端面1； 车台阶面2， 保证尺寸A2= ； 车左端面3， 保证尺寸A3= ； 磨台阶面2， 保证尺寸A1= ； 试校核磨端面2的余量。,解：在右边的尺寸链中： 封闭环为余量Z ； 增环为A3 = ； 减环为A1 = 和A2 =,求：Z = ？ 解：见左表 得：Z = Zmax = 0.64 Zmin = 0,由于Zmin = 0 ，可能导致某些零件没有磨量，无法达不到磨削加工得到目的，必须重新

22、调整各组成环的偏差，在三个组成环中有两个组成环A1和A3是设计尺寸，因此只能调整A2尺寸的偏差。现若确定Zmin = 0.1mm ,代入可计算出A2的偏差。,已知： Zmin = 0.1mm 即： Z = 求：A2 = ？ 解：见左表 得：A2 =,工序间的工序尺寸及偏差的计算,例5 ：如下图所示一带键槽的齿轮孔加工。 镗内孔至 ； 插键槽至尺寸A ； 热处理 ； 磨内孔至 ， 同时间接保证键槽 深度尺寸 。,已知：封闭环为 ； 增环为A和 ； 减环为 。 求：A =？,解：见左表 得：A = =,本题还可通过磨削余量Z/2将上述工艺尺寸链分解为两个工艺尺寸链，其中单边余量Z/2为公共环。 解

23、1：从右图左边的尺寸链中得 封闭环为Z/2；增环为 减环为 求：Z/2 = ？ 解：见右表 得：Z/2 =,解2：在右图右边的尺寸链中： 封闭环为 ； 增环为Z/2= 和A 。,求： A = ？ 解：见左表 得：A =,同时保证多个设计尺寸时工序尺寸及偏差的计算,例6 ：下图所示的零件中，A面为4个设计尺寸轴向设计基准。在磨削A面时，只能控制4个设计尺寸中精度最高的，即 。而其它3个设计尺寸只能间接保证。因此需通过工艺尺寸链分别计算出A、B、C、D的工序尺寸。,解2：在左边的尺寸链中： 封闭环为 ； 增环为B ； 减环为余量Z =,求： B = ？ 解：见左表 得：B =,解3：在左边的尺寸链

24、中： 封闭环为 ； 增环为C ； 减环为余量Z =,求： C = ？ 解：见左表 得：C =,解4：在左边的尺寸链中： 封闭环为 ； 增环为D ； 减环为余量Z =,求：D = ？ 解：见左表 得：D =,图解追踪法确定工序尺寸及偏差,2.2 装配尺寸链的建立及其计算,在产品设计阶段，根据装配精度，建立装配尺寸链与解算尺寸链。通过装配尺寸链，合理地确定各零件的公差；在产品设计阶段，根据各零件的公差校核装配精度；在产品制造阶段，根据各零件加工精度及装配方法，验算产品是否达到设计要求。 建立装配尺寸链，装配精度是依据。装配精度既是制定装配工艺规程的主要依据，也是确定零件加工精度的依据。,1. 装配

25、精度及其与零件精度间关系,装配精度是指零件经装配后在尺寸、相对位置及运动等方面所获得的精度。装配精度也是为满足机械产品(或汽车产品)及部件的使用性能，在设计过程中规定的技术要求。因此，装配精度不但影响机械产品或部件的工作性能，而且影响其使用寿命。合理地确定装配精度，是产品设计的重要环节之一，不仅关系到产品质量，也关系到产品的制造难易程度和经济性。,汽车或机械产品由零件组成，所以汽车或机械产品的装配精度与相关零部件的加工精度直接相关。零件的加工精度是保证装配精度的基础，在一般情况下，零件的精度越高，装配精度也越高。但是，并非装配精度完全取决于零件加工精度，装配中可以采用不同的装配方法来实现产品装

26、配精度要求。因此，装配精度可由零件的加工精度与装配方法来同时保证。,1. 装配精度及其与零件精度间关系,2. 汽车产品常见的装配精度,零件或部件间的尺寸精度：如间隙或过盈量； 位置精度：如平行度、垂直度和同轴度等； 相对运动精度：即在相对运动中保证有关零件或部件相对位置的准确度及各个配合表面的接触精度。 具体内容主要体现在以下诸方面：,1）轴与孔的配合间隙或过盈量。 2）零件、部件间的位置公差。 3）相邻旋转零件与固定零件的轴向间隙。 4）往复运动件的行程范围。 5）滚动轴承端面与轴承盖间的轴向间隙或过盈量。 6）联轴器所连接的两轴轴线同轴度。 7）滑动轴承中轴类零件的轴肩(或端面)与止推轴承

27、间的轴向间隙。,8）性能参数，如发动机的压缩比等。 9）机械变速器中滑动齿轮在啮合状态时，齿轮没有进入啮合的宽度；齿轮分离状态时，轮齿分离的间隙值。 10）锥齿轮传动副中，为保证齿侧间隙和接触区要求，所规定的锥齿轮副锥顶的位移值。 11）为保证齿轮副或蜗轮副能正常啮合，齿轮副或蜗轮副的啮合中心距。,3.装配尺寸链的封闭环与组成环,装配尺寸链是机械产品(汽车)的装配过程中，由相关零件的有关尺寸或相互位置关系以及形状要求所组成的尺寸链。装配过程中最后形成的环，也是相关零件的尺寸或相互位置误差积累的环，此环作为装配精度要求，也是装配尺寸链的封闭环；其他影响装配精度的那些零件的尺寸、形状和位置公差，是

28、组成环。,4.装配尺寸链的建立方法,正确建立装配尺寸链是保证装配精度及装配尺寸链计算的基础。根据产品或部件性能要求，正确地、完整地建立装配尺寸链，才能使产品达到性能要求。装配尺寸链的建立归纳起来有以下几个方面： 1）熟悉产品或部件、总成装配图。 2）确定封闭环。 3）确定组成环。 4）画出尺寸链图，进行增、减环判定。 5）满足尺寸链最短路线原则。 6）列出尺寸链方程。,由于每一部件或总成中有许多装配精度要求，建立装配尺寸链时，必须依据装配精度，逐一建立装配尺寸链，形成装配尺寸链系统。由于有多个装配尺寸链存在，那么，同一零件尺寸可能会同时在几个装配尺寸链中出现，因而构成并联尺寸链。,习 题,P202 6-2、6-3、6-5,6-2 如图6-26所示，在镗床上镗削活塞销孔，要求保证尺寸410.02和500.05，主要定位面为平面1和内孔2，试确定尺寸B及其上、下偏差。,习 题,