工艺尺寸链计算中的难点是确定尺寸链的封闭环。封闭环的定义是,尺寸链中设计、加工或装配过程中最后 (自然或间接) 形成的一个环,承担各组成环的累积误差,因此其公差值最大。[1][2]它是由工艺过程、加工方法和测量方法所决定的,所以加工时定位装夹的方式、对刀位置、走刀切削方法、刀具的形状、测量的方法、测量的工具都可能让工艺尺寸链的封闭环发生改变[3]。封闭环的判断应该以实际加工和检测方法为依据,以封闭环定义为原则,辅助一些技巧来判断。现针对航空发动机零件机加工的特点,归纳以下封闭环判断技巧。

1) 设计基准与加工基准、测量基准重合时,通常加工余量为封闭环。如图1所示,加工基准和设计基准都在左端,先粗加工到A1,再精加工到A2;A1和A2是前后两工序直接加工形成,A0是间接形成的,此时A0为封闭环。

装配尺寸链的封闭环是啥 工艺尺寸链封闭环的判断(1)

图1 设计基准与加工基准重合

Fig1 Design datum coincidence with process datum

2) 加工基准和设计基准不重合时,通常加工后位置到设计基准的标注尺寸为封闭环,加工位置到加工基准的尺寸为工序尺寸。如下图2所示,表面A、B、C均已加工,现以A面为加工基准来镗孔,尺寸A1是镗孔后间接获得的尺寸,是封闭环;由图可知C平面为A1尺寸的设计基准,封闭环A1为孔中心到设计基准的设计尺寸。孔中心到加工基准A平面的尺寸A0为工序尺寸。

装配尺寸链的封闭环是啥 工艺尺寸链封闭环的判断(2)

图2 设计基准与加工基准不重合

Fig 2 Design datum not coincidence with process datum

3) 测量基准与设计基准不重合时,通常待测量表面到设计基准的尺寸是封闭环[4]。如图3所示的零件,工序为1、在车床上加工零件长度A1;2、加工大孔长度A2,加工后保证大孔底台肩面C到A端面设计尺寸A0。由于A0不易测量,加工中常用测量 A2来控制孔底台肩面C到A面的尺寸A0。如图可知A为设计基准,B为测量基准;A0是通过测量A2间接保证,是封闭环;A0是测量面C到设计基准A的尺寸,测量面C到测量基准B的尺寸A2为工序尺寸。

装配尺寸链的封闭环是啥 工艺尺寸链封闭环的判断(3)

图3 设计基准与测量基准不重合

Fig 3 Design datum not coincidence with measure datum

4) 粗、精加工中,精加工如果以待加工表面为加工基准,且以固定加工余量加工的情况下,适用技巧2加工后的表面到设计基准尺寸为封闭环;此时目标尺寸通常公差较大。但实际加工中通常精加工后的尺寸精度较高,公差较小,以测量加工后的目标尺寸是否合格来判断精加工是否完成。此时测量基准和设计基准重合,适用技巧1,所以加工余量才是封闭环。粗、精加工中封闭环的判断需要根据封闭环的定义,误差累积的特点,综合考虑加工基准和测量基准两个因素来判断。我们以一个案例来说明粗、精加工中封闭环的判断。如图4 所示零件加工工艺为1、加工总长50(0,-0.3);2、粗加工A端面至10.4(0,-0.2);3、加工孔;4、热处理;5、靠磨尺寸10(0,-0.01)。求工序3的钻孔位置尺寸和工序5的磨削量范围。

装配尺寸链的封闭环是啥 工艺尺寸链封闭环的判断(4)

图4粗\精加工

Fig 4 Rough and accurate process

由于本案例中未给出工序3以那个面为加工基准,所以我们分别以B和A表面为加工基准来分析工艺尺寸链的封闭环。

a) 以B为加工基准。计算工序3尺寸时,由图4可知孔C的设计基准和加工基准不重合,且尺寸15±0.2是工序5加工后间接获得的,承担所有的累积误差,所以尺寸15±0.2是封闭环。而该尺寸也是加工后位置到设计基准的尺寸,符合技巧2。计算工序5磨削量范围时, 尺寸10.4(0,-0.2)和10(0,-0.01)是直接测量获得;磨削量是由测量目标尺寸10(0,-0.01)是否合格来获得的,所以磨削量是封闭环。而且此时测量基准和设计基准重合,符合技巧1,加工余量为封闭环。

b) 以A为加工基准。计算工序3尺寸时,孔C的设计基准和加工基准不重合。由于尺寸15±0.2是磨削后间接保证的,该尺寸为封闭环。而该尺寸也是加工后位置到设计基准的尺寸,符合技巧2。工序3工序尺寸,尺寸10.4(0,-0.2)和尺寸10(0,-0.01)为组成环。计算工序5磨削量范围时,可以采用a)中粗、精加工的目标尺寸10.4(0,-0.2)和10(0,-0.01)来计算,也可以使用孔的位置尺寸来计算。如果按照孔的位置尺寸来计算,此时,孔的设计尺寸15±0.2为间接获得,为封闭环。工序3工序尺寸和磨削量为组成环。通过DCC软件公差分析功能验证,a)和b)两种计算方法,磨削量的计算结果一致,说明磨削量不影响孔的实际位置,这符合实际情况,计算正确。

需要注意的是,在加工一个表面同时产生两个或两个以上的尺寸时, 工艺上只能直接保证一个尺寸, 其余尺寸是间接保证的;间接保证的为封闭环。通常精度比较高的尺寸为直接保证尺寸,精度低的为间接保证尺寸。

另外,工艺尺寸链中各组成环的加工误差会累积到封闭环, 因此其公差值最大。工艺人员也可以根据封闭环的公差累积特性合理设计加工工艺,降低加工难度。

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