44 定位误差分析与计算.doc

《44 定位误差分析与计算.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《44 定位误差分析与计算.doc（26页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、44 定位误差分析与计算 在机械加工过程中，使用夹具的目的是为保证工件的加工精度。那么，在设计定位方案时，工件除了正确地选择定位基准和定位元件之外，还应使选择的定位方式必须能满足工件加工精度要求。因此，需要对定位方式所产生的定位误差进行定量地分析与计算，以确定所选择的定位方式是否合理。 441 定位误差产生的原因和计算 造成定位误差 D的原因可分为性质不同的两个部分：一是由于基准不重合而产生的误差，称为基准不重合误差 B；二是由于定位副制造误差，而引起定位基准的位移，称为基准位移误差 Y。当定位误差 D13K（K为本工序要求保证的工序尺寸的公差）时，一般认为选定的定位方式可行。 (1) 基准不

2、重合误差的计算 由于定位基准与工序基准不重合而造成的工序基准对于定位基准在工序尺寸方向上的最大可能变化量，称为基准不重合误差，以 B表示。如图4.36所示的零件简图，在工件上铣一通槽，要求保证的工序尺寸为A、B、C，为保证B尺寸，工件用以K1面或以K2面来定位，都可以限制工件在B尺寸方向上的移动自由度。但两种定位方式的定位精度是不一样的。由于加工过程中，是采用夹具上定位件的定位表面为基准来对刀的。当以K1面为定位基准时， 如图 4.37（a）所示B就为确定刀具与夹具相互位置的对刀尺寸，在一批工件的加工过程中 B的位置是不变的。当以K2面为定位基准时，如图4.37（b）所示B为确定刀具与夹具相互

3、位置的对刀尺寸,由于工序基准是K1面，与K2面不重合。当一批工件逐个在夹具上定位时，受尺寸Ll的影响，工序基准K1面的位置是变动的，K1的变动影响工序尺寸B的大小，给B造成误差。 由图 4.37(a)可知 B=0 由图 4.37(b)可知 B=Lmax-Lmin=2l （4.1） 当工序基准的变动方向与工序尺寸方向有一夹角时，基准不重合误差等于定位基准与工序基准间距离尺寸公差在工序尺寸方向上的投影，即 B= (Smax-Smin)cos 是基准不重合误差变化方向与工序尺寸方向上夹角 （ 2）基准位移误差和计算 由于定位副的制造误差而造成定位基准对其规定位置的最大可能变动位移，称为基准位移误差，

4、用 Y 来表示。显然不同的定位方式和不同的定位副结构，其定位基准的移动量的计算方法是不同的。下面分析几种常见的定位方式产生的基准位移误差的计算方法。 1）工件以平面定位 工件以平面为定位基准时，若平面为粗糙表面则计算其定位误差没有意义；若平面为已加工表面则其与定位基准面的配合较好，误差很小，可以忽略不计。即工件以平面定位时， Y=0 (4.2) 2）工件以圆孔在圆柱销、圆柱心轴上定位或 工件以外圆柱面在圆孔上定位 工件以圆孔在圆柱销、圆柱心轴上定位，其定位基准为孔的中心线，定位基面为内孔表面。 如图 4.38所示，设工件的圆孔为D + D ,定位件的轴径尺寸为d - d 。由于定位副配合间隙的

5、影响，会使工件上圆孔中心线(定位基准)的位置发生偏移，当孔的尺寸为最大值，轴径尺寸为最小值时，其中心的可能偏移量即基准位移误差 y最大。 Y =Dmax一 dmin= D + d十Xmin(4.3) Xmin-定位所需最小间隙（设计时确定），mm。Xmin=Dmin-dmax 其定位基准可以在任意方向上偏移，即 Y误差的对任意方向的工序尺寸都有影响 当工件用水平圆柱心轴定位时，相反，工件以外圆柱面在圆孔上定位，其 Y的计算为 Y= ( D + d+Xmin)/2 (4.4) 相反，工件以外圆柱面在圆孔上定位，其 Y的计算为 Y =Dmax一 dmin= D + d十Xmin (4.5) 不过

6、D 是定位件圆孔的极限尺寸, d 是工件外圆柱面的极限尺寸.而其 Y误差同样对任意方向的工序尺寸都有影响 3）工件以外圆柱面在v形块上定位 工件以外圆柱面在 v形块上定位时，其定位基准为工件外圆柱面的轴心线，定位基面为外圆柱面。 若不计 V形块的制造误差，由于V形块的对中性则 Y(对称面水平方向上)=0 (4.6) 而由于工件基准面的形状和尺寸误差时，工件的定位基准会在对称面上产生偏移，如图4.39所示，即在Z向的基准位移量可由下式计算 Y = OO= d/2sin（/2） (4.7) 其中 d工件定位基面的直径公差，mm; V形块的夹角，( )。 Y的误差变化方向在V形块的对称面上 （3）定

7、位误差的计算 由于定位误差 D是由基准不重合误差和基准位移误差组合而成的，因此在计算定位误差时，先分别算出 B和Y ，然后将两者组合而得D。组合时可有如下情况。 1) Y 0， B=O时 D= B (4.8) 2)Y =O， B O时 D= Y (4.9) 3) Y 0, B O时 如果工序基准不在定位基面上 D= y + B (4.10) 如果工序基准在定位基面上 D= y B (4.11) “ + ” ， “” 的判别方法为: 设定位基准是理想状态，当定位基面上尺寸由最大实体尺寸变为最小实体尺寸 (或由小变大)时，判断工序基准相对于定位基准的变动方向。 设工序基准是理想状态，当定位基面上尺

8、寸由最大实体尺寸变为最小实体尺寸 (或由小变大)时，判断定位基准相对其规定位置的变动方向。 若两者变动方向相同即 取 “ + ” ，两者变动方向相反即取 “”。4.4.2 定位误差计算实例 例 41 如图4.40所示，铣削斜面，求加工尺寸为(39o04)mm的定位误差。 解： B= 0(定位基准与设计基准重合) 按式 (111)得 Y=0.707 d cos =0.707x0.04x0.866=0.024mm 按式 (1-13)得 D= Y =0024mm 例 4-2 如图4.41所示，工件以外圆柱面在V形块上定位加工键槽，保证键槽深度34.8 mm，试计算其定位误差。 解： B=( )d =

9、( )x0.025=0.0125mm Y=0.707d =0.707x0.025=0.0177mm 因为设计基准在定位基面上，所以 D= B Y 经分析，此例中的设计基准变动的方向与定位基准变动的方向相反，取 “” 。则 D= B - Y =(0.0177-0.0125)mm=0.0052mm 例 4-3 如图4.42所示，以A面定位加工20H8孔，求加 工尺寸 (400.1)mm的定位误差。 解： Y = 0 (定位基面为平面) 由于工序基准与定位基准 A不重合，因此将产生基准不重合 误差 B= icos= (005十01)cos0 mm=0.15mm D= B= 015mm 例 4-4 如

10、图4.43所示，工件以d 1 外圆定位，加工 10H8孔。已知d 1 为 30 mm， d 2 为 55 mm，H=(40015) mm, t=0.03mm 。求加工尺寸(40015)mm的定位误差。 解：定位基准是 d 1 的轴线 A，工序基准则在d 2 的外圆母线上，是相互独立的因素，可按式 (114)合成 B= icos =( i/2+t) cos=(0.046/2+0.03)=0.053mm Y=0.707 d1=0.707x0.01mm=0.007mm D = B+ y =(0.053+0.007)mm=0.06mm 4.4.3 工件以一面两孔组合定位时的定位误差计算 在加工箱体、支

11、架类零件时，常用工件的一面两孔定位，以使基准统一。这种组合定位方式所采用的定位元件为支承板、圆柱销和菱形销。一面两孔定位是一个典型的组合定位方式，是基准统一的具体应用。 （1）定位方式 工件以平面作为主要定位基准，限制工件的三个自由度，以圆柱销限制其两个自由度，以菱形销限制其一个自由度。菱形销作为防转支承，其长轴方向应与两销中心连线相垂直，并应正确地选择菱形销直径的基本尺寸和经削边后圆柱部分的宽度。图 4.45所示为菱形销的结构，表4-6为菱形销的尺寸。 式中 LD 孔距公差， mm； Ld 销距公差，mm 菱形销直径可按下式计算 d2=D2-X2 max （2）组合定位的原则 由上例分析可知

12、：当采用组合定位时，如何正确合理地选定主基准是一个很重要的问题。一般遵循下列原则 1）要使基准重合，主定位基准尽量与其工序基准一致，避免产生基准不重合误差。 2）避免过定位。 3设计举例 例 45 泵前盖简图如图4.45所示，以泵前盖底及2- 10 定位(一面两孔定位)，加工内容为(1)镗孔 41 mm；(2)铣尺寸为1075 mm的两侧面。试设计零件加工时的定位方案及计算定位误差。 解：(1)确定两销中心距及公差 两销中心距的基本尺寸应等于两孔中心距的平均尺寸，其公差为两孔中心距公差的 1/3 -1/5，即 Ld =(1/3 1/5) Ld 本例因 LD=156 mm(156150015)m

13、m，故取 Ld=(156.150005)mm (2)确定圆柱销直径和公差 圆柱销直径基本尺寸等于孔的最小尺寸，公差一般取 g6或h7，故 d 1 = 9.972h7( )= 10 mm (3)确定菱形销直径和公差 选择菱形销宽度b=4mm(由表113查得)。 补偿量 a= LD /2+ Ld /2=0.03+0.01mm=0.02mm 计算最小间隙 X2min=2ab/D 2 =2x0.02x4/9.972mm=0.016mm 计算菱形销的直径 d2=D 2 -X2min= 9.9720016mm=9.956mm 菱形销直径一般取 h6，故 d2= 9956h6( )= 10 mm (4)计算

14、镗孔 41 mm时的定位误差 尺寸78 mm的定位误差 B =0 Y=Dmax-d1min=(10-0.012)-(10-0.043)mm=0.031mm D = B+ y =(0+0.031)mm=0.031mm 垂直度005mm的定位误差 D = B+ y 对称度003mm的定位误差 由于圆柱销和菱形销分别与两定位孔之间有间隙，因此两孔中心连线的变动可有如图 4.46所示的四种位置。对于对称度而言，应取如图4.46(a)所示的情况 X1min=Dmax-d1min=(10-0.012)-(10-0.043)mm=0.031mm X2min=Dmax-d2min=(10-0.012)-(10

15、-0.053)mm=0.041mm 因孔 41 在 0 1 0 2 中 心 ， 即 B =0 D = B+ y =(0+0.036)mm =0.036mm (5)两侧面平行度005mm的定位误差 计算平行度误差时，两孔中心连线的位置应取如图 4.46(b)所示的情况。 Tan a = = =0.00023 Y= B=0 D=Y+B=0.0236mm/100mm+0=1.0236mm/100mm 设计结果如图 4.47所示. 4.5 工件的夹紧 4.5.1 工件的夹紧简述 如上所述，工件在加工前需要定位和夹紧。 这是两项十分重要的工作。关于定位，在前面几节中已详细论述，本节对工件在机床上或夹具中

16、的夹紧作一概略说明。夹紧的目的是防止工件在切削力、重力、惯性力等的作用下发生位移或振动，以免破坏工件的定位。 因此正确设计的夹紧机构应满足下列基本要求： 夹紧力不应破坏工件的正确定位； 夹紧装置应有足够的性； 夹紧时不应破坏工件表面，不应使工件超过允许范围的变形； 能用较小的夹紧力获得所需的夹紧效果； 工艺性好，在保证生产率的前提下结构应简单，便于制造、维修和操作；手动夹紧机构应具有自锁性能。 4.5.2 工件加紧力三要素的确定 根据上述的基本要求，正确确定夹紧力三要素(方向、作用点、大小)是一个不容忽视的问题。 （1）夹紧力方向的确定 1)夹紧力的方向不应破坏工件定位 图4.48(a)所示为

17、不正确的夹紧方案，夹紧力有向上的分力Fwz,，使工件离开原来的正确定位位置。而图4.48(b)所示为正确的夹紧方案。 2)夹紧力方向应指向主要定位表面。 （2）夹紧力作用点的确定 1)夹紧力的作用点应落在支承范围内 如图4.49所示的夹紧力的作用点落到了定位元件的支承范围之外，夹紧时将破坏正确位置，因而是不正确的 2) 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位 如图4.50(a)所示，薄壁套筒的轴向刚性比径向刚性好，用卡爪径向夹紧时工件变形大，若沿轴向施加夹紧力，变形就会小得多。夹紧如图4.50(b)所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的顶面，而应作用杠刚忭较好的凸边上。或如图4.50(c)所

18、示改为三点夹紧，改变着力点的位置，以减少夹紧变形。 3)夹紧力的作用点应靠近工件的加工部位 如图4.51所示，夹紧力远离加工部位，因此应在加工部位加上辅助夹紧机构，以防止加工时发生振动，影响加工质量和安全。 4.5.3 夹紧力大小的估算 加工过程中，工件受到切削力、离心力、惯性力及重力等的作用，理论上夹紧力的作用应与上述力 (力矩)的作用相平衡。但是切削力的大小和方向在加工过程中是变化的，因此夹紧力的大小只能进行粗略的估算。估算的方法如下。1)找出对夹紧最不利的瞬时状态，估算此状态下所需的夹紧力。2)为了简便，只考虑主要因素在力系中的影响，略去次要因素在力系中的影响。3)根据工件状态，列出力(

19、力矩)的平衡方程式，解出夹紧力的大小，还应适当考虑安全系数。如需进行夹紧力估算可参阅有关资料。 4.5.4 常见夹紧机构 夹紧机构的种类很多，这里只简单介绍其中一些典型装置。 （1）斜楔夹紧机构 图 4.52所示是一些斜楔夹紧实例。斜楔夹紧机构是利用斜面的楔紧作用，将外力传递给工件，完成工件的夹紧。当楔块的升角 在 6 0 10 0 时具有自锁性能。但自锁的稳定性较差，主要用于夹紧机构中来改变力的方向。 （    2）螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构结构简单、容易制造，而且螺旋相当于一个斜楔缠绕在圆柱体的表面形成的；由于其升角小（ 3 0 左右）则螺旋机构具有

20、较好的自锁性能，获得的夹紧力大，是应用最广泛的一种夹紧机构。如图 4.53、4.56所示 1）单个螺旋夹紧机构 如图4.53（a）（b）中直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构。螺钉头部直接压在工件表面上，可能会损伤工件或带动工件旋转。为克服这一缺点在其头部加装浮动压块，以增加接触面积，减少损伤。如图4.54所示 夹紧动作慢使这一机构的另一缺点。通常采用一些快速结构，如快卸垫圈、快换螺母、快速机构等，如图 4.55所示。 2）螺旋压板夹紧机构 图4.56是螺旋压板夹紧机构的几种典型结构，其在夹紧机构中广泛的使用。 3）钩形压板夹紧机构 图4.57是螺旋钩形压板夹紧机构的一些结构，其特点是结构紧凑，使用

21、灵活、方便。 （3）偏心夹紧机构 它是利用偏心间直接或间接夹紧工件的机构。偏心夹紧分圆偏心和曲线偏心两种，其特点是结构简单、操作方便、夹紧迅速，缺点是夹紧力小，夹紧行程短，用于振动小、切削力不大的场合。图 4.58是几种典型的偏心夹紧机构的实例，图4.59是圆偏心轮的几种结构。 （4）联动夹紧机构 是利用机构的组合完成单件或多件的多点、多向同时夹紧的机构。它可以实现多件加工、减少辅助时间、提高生产效率、减轻工人的劳动强度等。 1）单件联动夹紧机构 利用夹紧机构实现工件的多向、多点夹紧。如图4.60所示机构实现二力垂直夹紧。 2）多件联动夹紧机构 一般有平行式多件联动夹紧机构和连续式多件联动夹紧

22、机构。 平行式多件联动夹紧机构 如图4.61所示，若采用刚性压板夹紧，则因一批工件的外圆直径尺寸的不一致，将导致个别工件夹不紧的现象。在（b）图中增加了浮动装置，既可以同时夹紧工件，又方便操作。在理论上平行式夹紧各工件受到的夹紧力相等，即 连续式多件联动夹紧机构 如图4.62是多个工件同时铣槽的夹具。这种方式，由于工件的夹紧力是依次传递的，可能造成工件在夹紧方向的位置误差很大。因此，只适用于加工在夹紧方向上没有加工要求的工件。 另外，在设计联动夹紧机构时，应注意应设置浮动环节；同时夹紧的工件不宜太多；结构的刚度要好，力求简单、紧凑。4.6 专用夹具设计方法 前面我们分析了工件的装夹机构，本节重

23、点讨论设计夹具的基本步骤、夹具总装图上尺寸、公差配合和技术要求的标注以及夹具结构工艺性问题。 4.6.1 设计步骤与方法 （1）研究原始资料明确设计任务 为明确设计任务，首先应分析研究工件的结构特点、材料、生产类型和本工序加工的技术要求以及前后工序的联系；然后了解加工所用设备、辅助工具中与设计夹具有关的技术性能和规格；了解工具车间的技术水平等。 （2）确定夹具的结构方案，绘制结构草图 拟定夹具的结构方案时，主要解决如下问题： 1)根据六点定则确定工件的定位方式，并设计相应的定位装置； 2)确定刀具的对刀或引导方法，并设计对刀装置或引导元件； 3)确定工件的夹紧方式和夹紧装置； 4)确定其它元件

24、或装置的结构型式，如定位键，分度装置等； 5)考虑各种装置、元件的布局，确定夹具体和总体结构。 （3）绘制夹具总装图 夹具总装图应遵循国家标准绘制，图形比例尽量取1：1。夹具总装图必须能够清楚地表示出夹具的工作原理和构造，以及各种装置或元件之间的位置关系和装配关系。主视图应选取操作者的实际工作位置。 绘制总装图的顺序是：先用双点划线绘出工件的主要部分及轮廓外形，并显示出加工余量；工件视为透明体，尽量清楚表明夹具的定位原理及各元件间的位置关系。然后按照工件的形状及位置依次绘出定位、导向、夹紧及其它元件或装置的具体结构；最后绘制夹具体。 夹具总装图上应标出夹具名称、零件编号，填写零件明细表、标题栏

25、等。 （4）绘制夹具零件图 夹具中的非标准零件都必须绘制零件图。在确定这些零件的尺寸、公差或技术要求时，应注意使其满足夹具总装图的要求。 4.6.2 夹具有关尺寸标注和技术要求的制订 在夹具总装图上标注尺寸和技术要求的目的是为了方便绘制零件图、装配和检验。应有选择地标注以下内容。 （1）夹具的尺寸要求标注 1)夹具的外形轮廓尺寸； 2)与夹具定位元件、引导元件以及夹具安装基面有关的配合尺寸、位置尺寸及公差； 3)夹具定位元件与工件的配合尺寸； 4)夹具引导元件与刀具的配合尺寸； 5)夹具与机床的联结尺寸及配合尺寸； 6)其它主要配合尺寸； （2）夹具的有关形状、位置精度要求标注 1)定位元件间

26、的位置精度要求； 2)定位元件与夹具安装面之间的相互位置精度要求； 3)定位元件与对刀引导元件之间的相互位置精度要求； 4)引导元件之间的相互位置精度要求； 5)定位元件或引导元件对夹具找正基面的位置精度要求； 6)与保证夹具装配精度有关的或与检验方法有关的特殊的技术要求。 （3）夹具的有关尺寸公差和形位公差标注 夹具的有关尺寸公差和形位公差通常取工件上相应公差的 1512。当工序尺寸公差是未注公差时，夹具上的尺寸公差取为01mm(或10)，或根据具体情况确定；当加工表面未提出位置精度要求时，夹具上相应的公差一般不超过（0.0020.005）。 在具体选用时，要结合生产类型、工件的加工精度等因

27、素综合考虑。对于生产批量较大、夹具结构较复杂，而加工精度要求又较高的情况，夹具公差值可取得小些。这样，虽然夹具制造较困难，成本较高，但可以延长夹具的寿命，并可靠保证工件的加工精度，因此是经济合理的；对于批量不大的生产，则在保证加工精度的前提下，可使夹具的公差取得大些，以便于制造。设计时可查阅机床夹具设计手册作参考。另外，为便于保证工件的加工精度，在确定夹具的距离尺寸时，基本尺寸应为工件相应尺寸的平均值。极限偏差一般应采用双向对称分布。 （4）与工件的加工精度要求无直接联系的夹具尺寸公差 与工件的加工精度要求无直接联系的夹具尺寸公差，如定位元件与夹具体、导向元件与衬套、镗套与镗杆的配合等，一般可

28、根据元件在夹具中的功用凭经验或根据公差配合国家标准来确定。设计时，还可参阅机床夹具设计手册等资料。 4.6.3 机床夹具的精度分析 进行加工精度分析可以帮助我们了解所设计的夹具在加工过程中产生误差的原因，以便探索控制各项误差的途径，为制定验证、修改夹具技术要求提供依据。 用夹具装夹工件进行机械加工时，工艺系统中影响工件加工精度的因素有：定位误差D、夹紧误差J、夹具在机床上的安装误差A和加工过程中其它因素引起的加工误差G。上述各项误差均导致刀具相对工件的位置不准确，而形成总的加工误差。以上各项误差应满足公式 =D+A+J+G工件的工序尺寸公差(或位置公差)。 此式称误差计算不等试，各代号代表各误

29、差在被加工表面工序尺寸方向上的最大值。 4.6.4 夹具设计示例 图 4.63所示是小连杆的铣槽工序图。生产类型是中批生产，设计铣槽夹具。以此例说明机床夹具设计的具体方法和步骤。 （1）明确设计的要求，进行工件加工工艺分析 工序要求铣两端面八个槽，槽宽 10 +0.2 mm， 槽深3.2 +0.4 mm,槽的位置为槽中心线与两孔轴线连线成45 0 30 ，表面粗糙度Ra=3.2 定位基准如图 4.63所示，采用三面刃盘铣刀在卧式铣床上加工，槽宽由铣刀保证，槽深和角度由夹具保证。 （2）确定夹具的结构方案 1）定位基准的选择分析 此例中，工件槽深3.2 +0.4 mm的要求，选定的定位基准最好与

30、工序基准重合，即应选定平面为定位基准。但这样使夹具结构复杂，因此选相对的另一端平面为定位基准，又造成基准不重合误差；比较知道两端面间的尺寸公差0.1mm，不会引起槽深公差0.4mm超差，故选择相对的平面为定位基准。 在对 45 0 30角度的保证方面，以两孔为定位基准，与两销配合做到基准重合，定位准确。 2）分度装置的设计 根据生产类型及夹具结构简单综合考虑，采用图4.64的分度方案，虽然操作费时，但结构简单还是可行的。 （1）明确设计的要求，进行工件加工工艺分析 工序要求铣两端面八个槽，槽宽 10 +0.2 mm， 槽深3.2 +0.4 mm,槽的位置为槽中心线与两孔轴线连线成45 0 30

31、 ，表面粗糙度Ra=3.2 定位基准如图 4.63所示，采用三面刃盘铣刀在卧式铣床上加工，槽宽由铣刀保证，槽深和角度由夹具保证。 （2）确定夹具的结构方案 1）定位基准的选择分析 此例中，工件槽深3.2 +0.4 mm的要求，选定的定位基准最好与工序基准重合，即应选定平面为定位基准。但这样使夹具结构复杂，因此选相对的另一端平面为定位基准，又造成基准不重合误差；比较知道两端面间的尺寸公差0.1mm，不会引起槽深公差0.4mm超差，故选择相对的平面为定位基准。 在对 45 0 30角度的保证方面，以两孔为定位基准，与两销配合做到基准重合，定位准确。 2）分度装置的设计 根据生产类型及夹具结构简单综合考虑，采用图4.64的分度方案，虽然操作费时，但结构简单还是可行的 思考题与习题 1.工件的定位与夹紧有何区别和联系？ 2.何谓六点定位原则？工件的合理定位是否一定要限制其在夹具中的六个自由度？ 3. 精基准选择有哪些原则？ 4.如图 4.66 所示，根据工件的加工要求，完成以下问题： (1)确定工件的必限自由度。 (2)选择合适的定位元件，并说明该定位方式中各定位件所限制工件的自由度？ (3)确定各定位方式的夹紧方案。